Проектирование каталитической установки очистки от ЛОС для типографии
Рассмотрены основные узлы каталитической установки для типографии и выполнены базовые инженерные расчеты основного оборудования
Одной из актуальных экологических задач промышленности является очистка отходящих газов от летучих органических соединений (ЛОС). В полиграфическом производстве, в частности при офсетной печати, значительные объёмы газов загрязняются ксилолом, толуолом и другими углеводородами. Наиболее эффективным методом обезвреживания таких выбросов является каталитическое окисление — процесс, протекающий при 300–500 °C на поверхности катализатора и обеспечивающий глубокую очистку без образования токсичных оксидов азота.
Проектирование каталитической установки требует комплексного инженерного подхода, охватывающего расчёты гидравлического сопротивления, теплообмена, выбора катализатора и подбора вспомогательного оборудования. Ключевая задача — обеспечить автотермический режим работы за счёт тепла реакций окисления, что позволяет минимизировать эксплуатационные затраты. При этом необходимо корректно определить суммарный перепад давления (типовое значение 550–600 мм вод. ст.), объём катализатора в зависимости от концентрации загрязнителей, а также выбрать между газовым и электрическим пусковым нагревом.
В данной статье на примере проектирования установки для типографии рассматриваются основные инженерные расчёты. В работе обосновывается выбор основных компонентов — вентилятора, реактора с медно-марганцевым катализатором, теплообменника и газовой горелки. Описываются контуры регулирования температуры и давления, система безопасности и подходы к оптимизации затрат, что позволяет предложить эффективное техническое решение для очистки газов полиграфического производства.
Проектирование каталитической установки требует комплексного инженерного подхода, охватывающего расчёты гидравлического сопротивления, теплообмена, выбора катализатора и подбора вспомогательного оборудования. Ключевая задача — обеспечить автотермический режим работы за счёт тепла реакций окисления, что позволяет минимизировать эксплуатационные затраты. При этом необходимо корректно определить суммарный перепад давления (типовое значение 550–600 мм вод. ст.), объём катализатора в зависимости от концентрации загрязнителей, а также выбрать между газовым и электрическим пусковым нагревом.
В данной статье на примере проектирования установки для типографии рассматриваются основные инженерные расчёты. В работе обосновывается выбор основных компонентов — вентилятора, реактора с медно-марганцевым катализатором, теплообменника и газовой горелки. Описываются контуры регулирования температуры и давления, система безопасности и подходы к оптимизации затрат, что позволяет предложить эффективное техническое решение для очистки газов полиграфического производства.
Типовая схема каталитической установки окисления для типографии
Каталитическая установка для типографии на 8000 нм3/ч
Основные клапаны и контуры управления в установке
V1 Отсечной клапан, V2 Дроссельная заслонка на входе, V3 Клапан пускового воздуха, V4 Байпасный клапан теплообменника, V5 Регулирующий клапан топлива, TC: Регулятор (контур) температуры, PC: Регулятор (контур) давления
Оборудование: К1 основной вентилятор, Е2 теплообменник газ-газ, Н3 горелка, R4 каталитический реактор, К3 вентилятор горелки
Исходные данные проектирования
Расход газов на очситку: 8000 Нм³/ч
Температура газа на входе: 110°C
Давление: -50 мм вод. ст.
Состав газов на очистку: 1.5 г/Нм³ углеводородов (газ от офсетной печати, включая ксилол, толуол).
Гарантируемая концентрация на выходе: менее 20 мг орг.C/нм³.
Температура газа на входе: 110°C
Давление: -50 мм вод. ст.
Состав газов на очистку: 1.5 г/Нм³ углеводородов (газ от офсетной печати, включая ксилол, толуол).
Гарантируемая концентрация на выходе: менее 20 мг орг.C/нм³.
Расчет основных показателей каталитической установки
Главный вентилятор К1
Расход на входе: 8000 Нм³/ч
Температура на входе: 110°C
Давление на входе: -50 мм вод. ст.
Требуемое давление на выходе: 550 мм вод. ст.
Рассчитаем мощность вентилятора по формуле:
P = 8000 × (110 + 273) / 273 × 600 / 10000 × 0.02685 / 0.7 = 25 кВт
Двигатель вентилятора:
Выбран двигатель 45 кВт с пуском по схеме "звезда/треугольник".
За счет сжатия произойдет повышение температуры на 5-10°C. Однако это повышение не учитывается, так как оно приблизительно компенсируется теплопотерями в системе.
Реактор / катализатор
Расчетная температура на входе в каталитический реактор: T газов = 310°C.
Оценка повышения температуры в реакторе после прохождения газа через катализатор:
ΔT_гор = 1.5 г/Нм³ × 30°C/(г/Нм³) = 45°C.
Количество требуемого катализатора:
V = 8000 Нм³/ч / 3600 Нм³/ч/м³ = 2.2 м³ сферического медно-марганцевого катализатора (фракция 3-5 мм)
Размеры слоя катализатора:
Площадь: A = 8000 Нм³/ч / 1200 Нм³/ч/м² = 6.7 м²
Высота слоя катализатора: h = 2.2 м³ / 6.7 м² = 0.33 м
Перепад давления на катализаторе:
При скорости: a = 1200 Нм³/ч/м², и температуре: b = 320°C
Из расчетных таблиц и графиков находим: Δp = 508 мм вод. ст./м
Итоговый Δp = 508 × 0.33 мм вод. ст. = 168 мм вод. ст.
Пусковой нагреватель
ΔHпуск =240×(310−0)×2.2=81840ккал
Пусковой расход для периода разогрева 15 минут (т.е. 0.25 часа):
F = 6.56 / (0.32 × 310 × 0.25) ≈ 3300 Нм³/ч
Теплообменник
Автотермичность при 1.5 г/Нм³ УВ: ΔT газов = 45°C
Желаемая эффективность теплообменника:
Приблизительная площадь теплообмена:
A = 8000 × 0.32 × (310-110) / (20 × 45) = 569 м²
Перепады давления в теплообменнике должны быть скорректированы расчетом для соответствия:
Δp по корпусу (shell) = 100 мм вод. ст.
Δp по трубам (tube) = 100 мм вод. ст.
Трубопроводы
Размеры трубопроводов подобраны на скорость газа V = 20 м/с.
Пример:
Диаметр входного трубопровода (круглое сечение)
D² = 4 × 8,000 × (110+273)/273 / (3600 × 20 × π) = 0.2025 м²
D = 0.45 м
Расход на входе: 8000 Нм³/ч
Температура на входе: 110°C
Давление на входе: -50 мм вод. ст.
Требуемое давление на выходе: 550 мм вод. ст.
Рассчитаем мощность вентилятора по формуле:
P = 8000 × (110 + 273) / 273 × 600 / 10000 × 0.02685 / 0.7 = 25 кВт
Двигатель вентилятора:
Выбран двигатель 45 кВт с пуском по схеме "звезда/треугольник".
За счет сжатия произойдет повышение температуры на 5-10°C. Однако это повышение не учитывается, так как оно приблизительно компенсируется теплопотерями в системе.
Реактор / катализатор
Расчетная температура на входе в каталитический реактор: T газов = 310°C.
Оценка повышения температуры в реакторе после прохождения газа через катализатор:
ΔT_гор = 1.5 г/Нм³ × 30°C/(г/Нм³) = 45°C.
Количество требуемого катализатора:
V = 8000 Нм³/ч / 3600 Нм³/ч/м³ = 2.2 м³ сферического медно-марганцевого катализатора (фракция 3-5 мм)
Размеры слоя катализатора:
Площадь: A = 8000 Нм³/ч / 1200 Нм³/ч/м² = 6.7 м²
Высота слоя катализатора: h = 2.2 м³ / 6.7 м² = 0.33 м
Перепад давления на катализаторе:
При скорости: a = 1200 Нм³/ч/м², и температуре: b = 320°C
Из расчетных таблиц и графиков находим: Δp = 508 мм вод. ст./м
Итоговый Δp = 508 × 0.33 мм вод. ст. = 168 мм вод. ст.
Пусковой нагреватель
ΔHпуск =240×(310−0)×2.2=81840ккал
Пусковой расход для периода разогрева 15 минут (т.е. 0.25 часа):
F = 6.56 / (0.32 × 310 × 0.25) ≈ 3300 Нм³/ч
Теплообменник
Автотермичность при 1.5 г/Нм³ УВ: ΔT газов = 45°C
Желаемая эффективность теплообменника:
Приблизительная площадь теплообмена:
A = 8000 × 0.32 × (310-110) / (20 × 45) = 569 м²
Перепады давления в теплообменнике должны быть скорректированы расчетом для соответствия:
Δp по корпусу (shell) = 100 мм вод. ст.
Δp по трубам (tube) = 100 мм вод. ст.
Трубопроводы
Размеры трубопроводов подобраны на скорость газа V = 20 м/с.
Пример:
Диаметр входного трубопровода (круглое сечение)
D² = 4 × 8,000 × (110+273)/273 / (3600 × 20 × π) = 0.2025 м²
D = 0.45 м
Расчет горелки
Газовая горелка
В данном случае заказчиком предпочтительна газовая горелка:
1) Тепло для запуска
ΔH_пуск = 81840 ккал / 0.25 ч = 327360 ккал/ч.
2) Постоянный подогрев (при 0 г/Нм³) приблизительно:
ΔH_пост. = 8000 × 0.32 × (310 - 275) = 89600 ккал/ч.
Видно, что потребность в тепле во время запуска является определяющей для подбора пускового нагревателя.
Поскольку цена горелки слабо зависит от её производительности, рекомендуется выбирать горелку с мощностью на 30-50% выше расчетной.
Воздушный вентилятор для горелки
Максимальный расход топлива.
Предполагая, что выбрана горелка с запасом производительности около 50% 500,000 ккал/ч, требуемый расход топлива составит 500,000 / теплотворная способность.
В случае с СУГ (пропан): кг газа/ч = 500,000 / 10,000 = 50 кг/ч.
Соотношение воздух/газ = 16 Нм³/кг газа.
Макс. требуемый расход воздуха для вентилятора = 16 × 50 = 800 Нм³/ч.
Принимаем расчетное значение 1,000 Нм³/ч, повышение давления 600 мм вод. ст.
Температура при частичной рециркуляции горячего воздуха T = 150°C
Мощность вентилятора P = 1,000 × (150+273)/273 × 600/10000 × 0.02685 / 0.7 = 3.5 кВт
Мощность двигателя вентилятора:
Выбран двигатель 5.5 кВт с пуском по схеме "звезда/треугольник".
В данном случае заказчиком предпочтительна газовая горелка:
1) Тепло для запуска
ΔH_пуск = 81840 ккал / 0.25 ч = 327360 ккал/ч.
2) Постоянный подогрев (при 0 г/Нм³) приблизительно:
ΔH_пост. = 8000 × 0.32 × (310 - 275) = 89600 ккал/ч.
Видно, что потребность в тепле во время запуска является определяющей для подбора пускового нагревателя.
Поскольку цена горелки слабо зависит от её производительности, рекомендуется выбирать горелку с мощностью на 30-50% выше расчетной.
Воздушный вентилятор для горелки
Максимальный расход топлива.
Предполагая, что выбрана горелка с запасом производительности около 50% 500,000 ккал/ч, требуемый расход топлива составит 500,000 / теплотворная способность.
В случае с СУГ (пропан): кг газа/ч = 500,000 / 10,000 = 50 кг/ч.
Соотношение воздух/газ = 16 Нм³/кг газа.
Макс. требуемый расход воздуха для вентилятора = 16 × 50 = 800 Нм³/ч.
Принимаем расчетное значение 1,000 Нм³/ч, повышение давления 600 мм вод. ст.
Температура при частичной рециркуляции горячего воздуха T = 150°C
Мощность вентилятора P = 1,000 × (150+273)/273 × 600/10000 × 0.02685 / 0.7 = 3.5 кВт
Мощность двигателя вентилятора:
Выбран двигатель 5.5 кВт с пуском по схеме "звезда/треугольник".
Приборы и КИП
Три основных контура управления:
Главный вентилятор: защита от перегрузки/недогрузки
Реактор: Высокая температура в слое катализатора
Низкая температура в слое катализатора
Газовая горелка: Пропадание пилотного пламени
Защита горелки от перегрузки/недогрузки.
Результат срабатывания блокировки:
Останов главного вентилятора.
Закрытие отсечных клапанов отходящего газа
Останов двигателя вентилятора горелки
Отсечка подачи газа
Прочая приборная оснастка:
Система управления газом в соответствии с нормативными требованиями.
Указатели температуры, точки измерения давления и отбора проб.
Теплоутилизация
Установка оснащена изоляцией толщиной 100 мм.
- Контур регулирования давления
- Температура на входе в катализатор
- Байпас теплообменника
Главный вентилятор: защита от перегрузки/недогрузки
Реактор: Высокая температура в слое катализатора
Низкая температура в слое катализатора
Газовая горелка: Пропадание пилотного пламени
Защита горелки от перегрузки/недогрузки.
Результат срабатывания блокировки:
Останов главного вентилятора.
Закрытие отсечных клапанов отходящего газа
Останов двигателя вентилятора горелки
Отсечка подачи газа
Прочая приборная оснастка:
Система управления газом в соответствии с нормативными требованиями.
Указатели температуры, точки измерения давления и отбора проб.
Теплоутилизация
Установка оснащена изоляцией толщиной 100 мм.
Заключение
На основе выполненного проектирования каталитической установки окисления для типографии можно сделать следующие выводы.
Предложенное техническое решение полностью соответствует исходным требованиям: при расходе отходящих газов 8000 Нм³/ч и концентрации углеводородов 1,5 г/Нм³ (включая ксилол и толуол) гарантируется очистка до уровня менее 20 мг орг. С/нм³. Автотермический режим работы достигается за счёт тепла реакций окисления, обеспечивающего повышение температуры в реакторе на 45 °C, что подтверждено тепловым расчётом.
Ключевые элементы установки подобраны на основе инженерных расчётов:
Таким образом, представленный проект является технически обоснованным, энергоэффективным и безопасным решением для очистки газов полиграфического производства. Рекомендуется на этапе рабочего проектирования уточнить гидравлическое сопротивление теплообменника и провести пробные испытания катализатора на реальном газе, однако выполненные расчёты создают надёжную основу для реализации установки.
Предложенное техническое решение полностью соответствует исходным требованиям: при расходе отходящих газов 8000 Нм³/ч и концентрации углеводородов 1,5 г/Нм³ (включая ксилол и толуол) гарантируется очистка до уровня менее 20 мг орг. С/нм³. Автотермический режим работы достигается за счёт тепла реакций окисления, обеспечивающего повышение температуры в реакторе на 45 °C, что подтверждено тепловым расчётом.
Ключевые элементы установки подобраны на основе инженерных расчётов:
- Основной вентилятор мощностью 45 кВт (с пуском «звезда-треугольник») обеспечивает необходимый перепад давления 550–600 мм вод. ст. с учётом всех компонентов системы.
- Реактор загружается 2,2 м³ сферического медно-марганцевого катализатора, что обеспечивает требуемое время контакта и степень превращения.
- Теплообменник площадью ~570 м² позволяет эффективно утилизировать тепло и нагревать входящий газ до 310 °C.
- Газовая горелка выбрана с 50%-ным запасом мощности (500 000 ккал/ч), что компенсирует пусковые нагрузки и колебания состава газов.
Таким образом, представленный проект является технически обоснованным, энергоэффективным и безопасным решением для очистки газов полиграфического производства. Рекомендуется на этапе рабочего проектирования уточнить гидравлическое сопротивление теплообменника и провести пробные испытания катализатора на реальном газе, однако выполненные расчёты создают надёжную основу для реализации установки.
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.