Коксовий газ, що виходить з пiдсводового простору коксових камер має температуру 650-750°С і містить значну кількість пари, смоли і води. Для здійснення технологічних процесів у цеху уловлювання коксовий газ повинний бути охолоджений і звільнений від парів смоли і води.
Тому першою й обов'язковою технологічною операцією, якій піддається газ по виходу з печей, є процес охолодження, що обумовлює конденсацію водяної пари і смоли. Охолодження газу здійснюється у дві стадії:
а) у колінах стояків і в газозбірниках коксових печей до 85-90 °С при зрошенні газу аміачною водою;
б) у первинних газових холодильниках до 25-35 °С, ця температура є оптимальною, для уловлювання з газу бензольних вуглеводнів, сірководню й аміаку.
У результаті такого охолодження газу різко зменшується його обсяг, що знижує енергетичні витрати на його транспортування по газовій трасі хімічного заводу і створює умови для нормальної роботи цеху уловлювання. До складу прямого коксового газу входять сірковуглець (CS2) серооксид вуглецю (COS), тиофен (C4H4S) і його гомологи, легкі піридинові основи (0,4-0,6 г/м3), феноли й ін. При обробці прямого коксового газу в апаратурі цеху уловлювання з нього виділяються основні хімічні продукти коксування й утворюється очищений коксовий газ. Він називається зворотним, тому що частина його подається на обігрів коксових печей, як би повертається назад. Зворотний коксовий газ складається в основному з компонентів, що не конденсуються в звичайних умовах, (Н2, СН4, СО, N2, СО2, O2 і ін.), а також залишків сірководню, бензольних вуглеводнів, вуглеводнів і ненасиченого ряду, незначних кількостей оксидів азоту ін. [2]
Для первинного охолодження газу широке застосування одержали шестиходові вертикальні трубчасті холодильники конструкції Гіпрококса з поверхнею охолодження 2100 м2, продуктивністю 10-11 тис. м3/год газу, приведеного до нормальних умов. Дуже важливим фактором, значною мірою визначальним ефективність роботи трубчастих холодильників, є швидкість газового потоку. Вона буде тим вище, чим більше навантаження холодильника по газу. Тому краще охолодження газу при меншій витраті охолоджувальної води виходить при послідовному проходженні газу через кілька з'єднаних холодильників. Однак при цьому різко зростає опір газовому потоку, тобто різниця розрідження газу до і після холодильників збільшується.
При рівнобіжному включенні, навпаки, весь газовий потік розгалужується на частини по числу холодильників. При цьому, природно, знижується швидкість газу, зменшується опір, але погіршується охолодження. На практиці частіше застосовують змішане, послідовно-рівнобіжне, проходження газу. На роботу трубчастих холодильників істотно впливають також наступні фактори: температура газу, що надходить, величина охолоджувальної поверхні і її чистота, кількість охолоджувальної води і її температура. З приведених факторів найбільше значення мають початкова температура газу, що надходить на охолодження, і чистота внутрішньої і зовнішньої поверхні труб. При сталої кількості охолоджувальної води і її температури ефект охолодження газу буде тим нижче, чим вище температура газу, що надходить у холодильники, і чим більше забруднення зовнішньої і внутрішньої поверхні труб.
Відкладення смоли і нафталіну на зовнішній поверхні труб холодильника видаляються пропарюванням їх гострою парою шляхом прогріву холодильників гарячим газом. Великим недоліком холодильників є утруднення очищення внутрішньої поверхні труб від шумовиння. Шестиходовий газовий холодильник системи Гіпрококса з вертикальним розташуванням труб і з площею поверхні 2100 м2 переробляють на семиходовий, установивши спеціальну перегородку. При цьому відвід гарячої води через штуцер діаметром 250 мм переміщається з нижньої частини холодильника у верхню. Це дозволяє знизити температуру газу на 2-3°С, збільшити пропускну здатність по газі на 20%, знизити енергетичні витрати на транспортування газу, поліпшити умови праці.
Трубчастий холодильник Гіпрококса з горизонтальними трубами з поверхнею охолодження 2950 м2. Більш інтенсивне охолодження газу в холодильнику з горизонтальним розташуванням труб обумовлено перпендикулярним рухом газу і води, що виключає можливість випадання суспензій і забезпечує турбулентний характер руху рідини, значно меншим обволіканням поверхні труб плівкою конденсату, безупинно змиваного під час його стікання зверху вниз. Разом з тим конструкція має деякі недоліки: 1) більше, ніж у холодильника з вертикальними трубами, опір руху газу і рідини, обумовлений великим числом рядів труб і трубних пучків; 2) більш низька температура конденсату газу після холодильників, що викликає додаткову витрату пари на його нагрів; 3)необхідність обов'язкової підготовки технічної води, тобто видалення з її суспензій і тимчасової твердості; 4) підвищений вміст аміаку в надсмольній аміачній воді, що знижує його ресурси в газі перед сульфатним відділенням. [5]
Відмінною рисою технологічної схеми охолодження коксового газу із застосуванням холодильників безпосередньої дії є те, що охолодження газу здійснюється безпосереднім зрошенням надсмольною водою, при цьому тепло газу передається до дотичної з ним охолоджувальної води, що нагрівається до 70 °С. При цьому вода насичується аміаком, тому випуск її з холодильників приводив до втрати аміаку і до забруднення водоймищ, що забороняється санітарними правилами. Тому нагріта газом і насичена аміаком вода знаходиться в замкнутому циклі, охолоджуючись у пластинчатих холодильниках, відкіля знову подається на охолодження газу. В іншому шлях руху газу і рідини (газового конденсату) такий же, як і в схемі з трубчастими холодильниками. Високоефективними апаратами для безпосереднього охолодження газу є колони з провальними тарілками. Обсяг такого апарата значно менше. Для охолодження надсмольної води, подаваної на охолодження газу, може бути застосовано пластинчастий або спіральний теплообмінник У такий спосіб охолодження коксового газу із застосуванням холодильників безпосередньої дії є найбільш придатним варіантом. [4]
Відомі насадочні апарати, що застосовуються для охолодження і очищення коксового газу від аміаку, сірководню, ціаністого водню, бензольних вуглеводнів, в яких газ і рідина рухаються протитоком. [1] Недоліком таких апаратів, які працюють в плівковому режимі є громіздкість із-за низької інтенсивності процесів переносу.
Причинами низької інтенсивності теплообміну і масообміну в насадочних апаратах є обмеженість швидкості газу(1 - 1.5 м/с), щоб запобігти порушенню плівкового режиму і підсиленню бризговиносу, а також нерівномірному розподіленню газу і рідини у перетині апаратів великого діаметру. За даними різних дослідників [3] коефіцієнти масопередачі в промислових абсорберах з вказаної причини в 3-5 разів менше, ніж в експериментальних установках малого розміру.
Відомо, що при стіканні рідини по насадці трапляється її переміщення від осі до стінок апарату, із-за чого значна частина насадки недостатньо змочується. Для більш рівномірного розподілення рідини і газу по насадці останню укладають окремо шарами висотою 2-3 метра, між якими встановлюють перерозподільні пристрої різних конструкцій, які в значній мірі збільшують гідравлічний опір апаратів. Із-за обмеженості напору нагнітачем коксового газу застосування таких пристроїв на коксохімічних заводах ускладнено.
Найбільш близьким до запропонованих за технічним змістом і ефектом, що досягається, є поличний (каскадний) апарат, що застосовується на коксохімічних заводах для охолодження коксового газу і очищення від нафталіну. В ньому рідина стікає донизу через отвори у полках, які рівномірно розташовані по всій площині, у виді струменів, а газ рухається зігзагообразно між полками знизу доверху. При перехресному русі фаз швидкість газу між полками може збільшитися до 4-5 м/с, завдяки чому коефіцієнти тепло- і масопереносу в газовій фазі значно зростають. [3] Але ефективність таких апаратів є недостатньою із-за нерозвиненої поверхні контакту фаз (поверхні струм). На практиці вона не перевищує 6-8 м2/м3, тоді як в насадочних апаратах питома поверхня становить 60-120 м2/м3 і більш в залежності від типу насадки.
Апарат, що пропонується, являє собою вертикальну колону із сегментними полками, в якому робочій простір між полками заповнено регулярною насадкою із гофрованих листів із перфорацією, складених у пакети із горизонтальними клапанами перемінного перерізу для проходу газу. Рідина рівномірно розподіляється полками по поверхні насадки і стікає з одного листа на нижче розташований через отвори в них у виді крапель, які багаторазово дробляться і утворюють додаткову поверхню контакту фаз.
Інтенсифікація процесу в такому апараті досягається за рахунок рівномірного розподілення рідини полками по всьому об`єму насадки, турбулізації потоку газу при русі в каналах перемінного перерізу і крізь отвори в листах. Як показують розрахунки, при питомій поверхні металевої насадки 80-120 м2/м3 загальна площина контакту фаз із врахуванням поверхні крапель рідини може досягати 200 м2/м3 і більш.
Контактний апарат “газ – рідина” із сегментними полками, в якому рідина стікає крізь отвори в полках у виді струм, а газ рухається зігзагообразно між полками знизу вверх, відрізняється тим, що, із метою підвищення інтенсивності процесів тепло- і масообміну, робочий простір між полками заповнюється регулярною насадкою із гофрованих металевих листів із перфорацією, зібраних у пакети і утворюючих таким чином горизонтальні канали для руху газу.
Металева гофрована насадка:
– товщина листів 1 мм,Розмір ромбічних каналів:
– розмір отворів 5*5 мм, ,(отриманих за допомогою вирубного штампу).
– листи розташовані в шаховому порядку.
– велика діагональ- 104 мм,
– мала діагональ- 60 мм,
– сторона - 60 мм.
Для полегшення зборки пакетів між гофрованими листами укладаються плоскі листи із отворами описаної вище форми. Останні сприяють розплескуванню рідини і рівномірному розподіленню її в горизонтальній площині.
Питома поверхня насадки,f:
f = (0.06*8+0.104*4)/(2*0.052*0.06) = 143.6 (м2/м3).
Живий перетин насадки для проходу газу:
Sж= 1- ((0.06+0.052)*4*10-3)/(0.06*0.052*2) = 1- 0.0718 = 0.9282.
Еквівалентний діаметр каналів для проходу газу:
dе = (4*Sж)/f
dе = (4*0.9282)/143.6 = 0,0258 м.
Розміри пакету дорівнюють:
– висота - 420 мм,Маса одного пакету:
– довжина - 420 мм,
– ширина - 416 мм.
М = *Vнас*(1- Vв),
де - густина металу (7800 кг/м3);
Vнас-об`єм насадки;
Vв- вільний об`єм насадки.
М = 7800*0.416*0.420*0.420*(1- 0.9282)=41,1 (кг).
При витраті газу 114000 м3/год і швидкості газу 2 м/с холодильник має розміри в горизонтальному перетині 5*4 метри і висоту активної зони 7 метрів ( 4 полиці ). Коли вертикальна швидкість газу вверху апарату дорівнює 1 м/с потрібно два холодильника з таким же горизонтальним перетином і висотою активної частини 12,25 метри ( 7 полиць ).
Первинний газовий холодильник призначений для охолодження коксового газу до 30 – 35 оС і конденсації водяної та смоляної парів. Крім того у надсмольній воді циклу ПГХ містяться роданіди, сірководень, нафталін, феноли, велика кількість аміаку і т.i.
Для забезпечення високої інтенсивності теплообміну було вибрано металеву насадку із гофрованих листів товщиною 1 мм. із отворами лускатої форми розміром 5*5 мм., розташованих в шаховому порядку, отриманих за допомогою вирубного штампу. Гофровані листи укладаються друг на друга, утворюючи горизонтальні канали ромбічного перетину для проходу газу
Рідина стікає зверху по поверхні листів у вигляді плівки, а частково провалюється крізь отвори в листах і розплескується на краплі різного розміру, завдяки чому утворюється додаткова поверхня контакту. Для полегшення зборки пакетів між гофрованими листами укладаються плоскі листи із отворами описаної вище форми. Останні сприяють розплескуванню рідини і рівномірному розподіленню її в горизонтальній площині.
Розрахунок показав, що для охолодження 114000 м3/год потрібно два апарата із висотою активної зони 13 метрів. На ВАТ "Авдієвський КХЗ" для цього використовується 11 холодильників із горизонтальними трубками. Отже, застосування холодильника безпосередньої дії має зменшити капітальні і експлуатаційні витрати.
Виконаний розрахунок скруберу є інтегральним. Температура приймалася як середнє логарифмічне, середній вміст водяної пари в газі - як середнє арифметичне і багато інших змінних приймалися як постійна величина по висоті апарату. Для отримання точних результатів треба вести розрахунок від полиці до полиці.
При повному дослідженні процесу з метою зниження витрат на його проведення, результатом цього повинен стати проект (пропозиція) найбільш вигідного здійснення первинного охолодження коксового газу, який має бути реалізований на коксохімічному заводі.
1. Гребенюк А. Ф., Коробчанський В.И., Власов Г. А., Кауфман С. И.
Улавливание химических продуктов коксования. Учебное пособие – ч. 1 – Донецк:
«Восточный издательский дом», 2002. – 228 с.2. Коробчанський В. И., Кузнецов М. Д.
Расчеты аппаратуры для улавливания химических продуктов коксования.
М.: Металлургия, 2-е изд., 1972. – 296 с.3. Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А.
Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии.
Учебное пособие для вузов. – Л.: Химия., 1987, – 576 с., ил.4.http://www.chem.asu.ru/org/cpk/spk01.pdf Стадии охлаждения газа, охлаждение коксового газа в стояках и газосборниках, технологические схемы первичного охлаждения коксового газа.
5.http://www.chem.asu.ru/org/cpk/spk02.pdf Аппаратура отделения первичного охлаждения коксового газа, транспортировка коксового газа, очистка коксового газа от туманообразной смолы.
