Модернізація агрегату синтезу аміака з розробкою колони синтезу, котла – утилізатора та виносного теплообміника

Призначення та область використання установки виробництва аміаку. Вибір опори колони. Визначення діаметрів штуцерів. Конструкція та принцип дії апаратів, основних складальних одиниць та деталей. Розрахунок поверхні теплообміну котла - утилізатора.

Рубрика Производство и технологии
Вид дипломная работа
Язык украинский
Дата добавления 25.01.2017
Размер файла 3,1 M

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перелік скорочень, умовних позначень та термінів

Умовні позначення:

h - висота, м;

С - додаток до розрахункової товщини, м;

D, d - діаметри, м;

N- потужність, Вт;

G - масова витрата, кг/с;

V- об'ємна витрата, м3/с;

W-швидкість, м2/с;

P, p - тиск, Па;

T - температура, К;

F- поверхня теплообміну, м2;

r - термічний опір, м2•К/Вт;

с - питома теплоємність, Дж/(кг•К);

z - масова доля, %;

M- молярна маса, г/моль;

? ? коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·K);

? - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м•К);

К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2·K.

Критерії:

Nu - критерій Нуссельта;

Re - критерій Рейнольдса;

Pr - критерій Прандтля.

Вступ

Аміак вперше був отриманий англійським хіміком Джозефом Прістлі. в 1774 році. Він назвав відкритий їм газ «лужним повітрям», хімічного складу якого визначити не зміг. Це зробив 11 років потому, в 1785 році, французький хімік Клод Луї Бертолле, відомий ще й як винахідник «бертолетової солі» - складу, який знайшов широке застосування в піротехніці і медицині

Аміак - один з найбільш поширених промислових хімікатів, що використовується в промисловості; газ який не має кольору, але володіє різким специфічним запахом. Щільність аміаку майже в два рази менше, ніж щільність повітря. При температурі 15 oC вона становить 0,73 кг / м3. Щільність рідкогоаміаку в нормальних умовах становить 686 кг / м3. Молекулярна маса речовини - 17,2 г / моль. Відмінною особливістю аміаку є його висока розчинність в воді. Так, при температурі 0 °C її значення досягає близько 1200 об`ємів в обсязі води, при 20 °C - 700 обсягів. Розчин «аміак - вода» (аміачна вода) характеризується слабощелочной реакцією і досить унікальною властивістю в порівнянні з іншими лугами: зі збільшенням концентрації щільність знижується.

Близько 80 % аміаку, що виробляється промисловістю, використовується в сільському господарстві як добриво. Аміак використовують також у холодильних установках, для очищення водного приладдя, у виробництві пластику, вибухових речовин, текстилю, пестицидів, барвників та інших хімічних речовин. Він міститься в багатьох побутових і промислових миючих розчинах. Побутові засоби, що містять аміак, виготовляються з додаванням 5-10 % аміаку, концентрація аміаку в промислових розчинах вище - 25 %, що робить їх їдкими.

Метою даного проекту є модернізація агрегату синтезу аміаку з розробкою колони синтезу, котла - утилізатора та виносного теплообмінника.

Для досягнення цієї мети поставлено такі задачі:

- удосконалити конструкцію розроблювального апарата(виносного теплообмінника) таким чином, щоб компенсувати температурні напруження в трубах і цим самим збільшити період між двома капітальними ремонтами;

- визначити економічний ефект від проведеної модернізації та виробництва апарата в цілому;

- виконати технологічні й конструктивні розрахунки, а також розрахунки на міцність, що підтверджують працездатність і надійність розроблюваних конструкцій, їхню відповідність вимогам техніки безпеки;

- розробити рекомендації з виготовлення, монтажу та експлуатації розроблюваних апаратів;

- розробити технологію свердління кришкивиносного теплообмінника[1].

1. Призначення та область використання установки виробництва аміаку деталь котел аміак утилізатор

деталь котел аміак утилізатор

1.1 Опис технологічного процесу

Промислові схеми синтезу аміаку, не дивлячись на відмінне технологічне і апаратурне оформлення, базується на спільних принципах, заснованих на кінетичних і термодинамічних особливостях процесу. Умови проведення процесу синтезу аміаку в значній мірі визначаються прагненням досягнути максимальної продуктивності апарата при мінімальних матеріальних і енергетичних витратах.

Свіжий циркуляційний газ, стиснутий у відцентровому компресорі до тиску 30 МПа, після охолодження в повітряному холодильнику поступає в нижню частину конденсаційної колони 8 для очищення від залишкових Н2O і СО2.Очищення здійснюють барботажем газу через шар рідкого аміаку, що сконденсувався.

Пройшовши шар рідкого аміаку, свіжа азотоводнева суміш насичується аміаком до 3-5% і змішується з циркуляційним газом. Суміш свіжого і циркуляційного газів проходить по трубах теплообмінника конденсаційної колони 8 і спрямовується в міжтрубний простір виносного теплообмінника 4, де нагрівається до температури не вище 195°С за рахунок тепла газу, що виходить з колони синтезу. З виносного теплообмінника 4 циркуляційний газ поступає в колону синтезу 2, проходячи знизу до верху по кільцевій щілині між корпусом колони і кожухом насадки, а потім в міжтрубний простір внутрішнього теплообмінника, розміщеного в верхній частині корпусу колони 2. У теплообміннику циркуляційний газ нагрівається до 400-440°С за рахунок тепла газу, що виходить з каталізаторної коробки, послідовно проходить чотири шари каталізатора, на якому здійснюється синтез аміаку. Температурний режим перед кожною полицею підтримують поданням газу між полицями. Газ відбирають з потоку перед колоною з температурою до 190°С.

Пройшовши третій, нижній шар каталізатора азотоводнева суміш з вмістом аміаку - 16% і температурою 500-530°С по центральній трубі піднімається вгору, входить в трубки внутрішнього теплообмінника, охолоджуючись до температури 310 - 330°С, і виходить з колони синтезу. Далі газова суміш проходить трубний простір котла - утилізатора 3, охолоджуючись до температури 215°С. Потім суміш потрапляє в трубний простір виносного теплообмінника 4, де вона охолоджується циркуляційним газом (подача у міжтрубному просторі) до 65°С. З 65°С до 45°С газ охолоджується у блоці апаратів повітряного охолодження5 (вузол первинної конденсації), де з газу конденсується частина аміаку. Аміак, що сконденсувався, відділяється в сепараторі рідкого аміаку 6, а газова суміш, що містить 10-12% NH3, поступає в циркуляційний компресор 16, де стискається до 30 МПа.

Циркуляційний газ з температурою 44°С поступає в систему вторинної конденсації, що складається з конденсаційної колони 8 і випарників рідкого аміаку 9. Газ подається в конденсаційну колону згори, проходить міжтрубний простір теплообмінника, охолоджуючись до 35°С газом, що йде по трубках. Далі газ подають у випарник рідкого аміаку 9, де, проходячи по U-подібним трубкам високого тиску, охолоджується за рахунок кипіння аміаку при температурі мінус 10°С у міжтрубному просторі випарника. Випарники по газу ввімкнені послідовно, в аміачна система має розімкнутий вигляд. Газоподібний аміак з міжтрубного простору випарника спрямовується в холодильну установку для зріджування аміаку і повертається до випарника у вигляді рідкого аміаку.

З трубного простору випарника суміш охолодженого циркуляційного газу і аміаку, що сконденсувався, поступає в частину сепарації конденсаційної колони 8, де відбувається відділення рідкого аміаку від газу. Тут свіжий газ змішується з циркуляційним. Далі газова суміш проходить кошик, заповнений напівфарфоровими кільцями, де відділяється від крапель рідкого аміаку, піднімається по трубках теплообмінника конденсаційної колони 8 і спрямовується у виносний теплообмінник 4, а потім - в колону синтезу аміака 2. Так циркуляційний цикл замикається.

Рідкий аміак після первинного сепаратора з температурою 40°С пройшовши магнітні фільтри 7, очищається від каталізаторного пилу, дроселюється до тиску 4 МПа і поступає у збірник рідкого аміаку 13, куди також під тиском 4 МПа поступає аміак з конденсаційної колони 8. За рахунок дроселювання рідкого аміаку з високого тиску до тиску 4 МПа відбувається виділення розчинених в рідкому аміаку газів Н2, N2, Аr, СН4. Ці гази, що називаються танковими, містять близько 16% NH3. Утилізація аміаку з танкових газів виконують шляхом його конденсації у випарнику 12 на лінії танкових газів при температурі від мінус 20 - 25°С.

З випарника 12 танкові гази і аміак, що сконденсувався, поступають в сепаратор 15, там рідкий аміак відділяється і подається у збірник рідкого аміаку 13. Для підтримки в циркуляційному газі вмісту інертів в межах 14-18% виконують постійний відбір частини газу після первинної конденсації. Кількість продувальних газів залежить від змісту інертних домішок у свіжому газі, тиску в системі синтезу, активності каталізатора і коливається в межах 3-8 тис.м3. Аміак з продувочних газів виділяється при температурі мінус 25 - 30°С в конденсаційній колоні 8 і випарнику 9. Суміш танкових і продувочних газів, після виділення аміаку, аргону, водню і гелію використовують як паливний газ, і прямує на спалювання у блок риформінгу метану [1].

1.2 Вибір типу апаратів та їх місце в технологічній схемі

Основним та найбільш складним апаратом технологічної схеми синтезу аміаку є колона синтезу.

Для проведення теплового розрахунку насадки колони синтезу слід попередньо обрати тип та конструкцію насадки.

При виборі типу насадки необхідно вирішити чи буде насадка що проектується, трубчастою чи поличною, та чи використовується в ній тепло реакції. Для трубчатої насадки з відбором тепла реакції обирають спосіб відводу тепла та місце розташування котла по ходу циркуляційного газу. Визначають конструкцію трубок для відводу теплоти з каталізаторної коробки, кількість та місця вводу холодильних байпасів, а також місце розташування пускового електронагрівача.

В поличних насадках, для спрощення виготовлення та монтажу каталізаторної коробки намагаються звести до мінімуму число полиць; однак при цьому збільшуються скачки температури. В аміачних колонах кількість полиць приймають не менше трьох, що найбільше відповідають умовам застосування сучасних каталізаторів.

Виходячи з вище вказаного, в проекті розробляється колона синтезу аміаку з поличною насадкою з кількістю полиць - три.

Одним із конструктивних апаратів для здійснення процесу теплообміну є виносний (кожухотрубний) теплообмінник. Ці теплообмінники відносяться до найбільш застосовуваних в багатьох процесах найрізноманітніших сфер промисловості. Вони використовуються як для підігріву так і для охолодження робочих рідин та газів, що беруть участь в хімічних та інших видах процесів. Отже, в якості виносного теплообмінника для здійснення процесу теплообміну між двома протитоками циркуляційного газу застосовуємо вертикальний кожухотрубний теплообмінник.

В якості котла - утилізатора за основу також приймаємо вертикальний кожухотрубний теплообмінник з тією відмінністю, що в ньому встановлена центральна труба для кращої циркуляції води в міжтрубному просторі, яка є холодоагентом в даному апраті.

Отже, головною вимогою вибору апаратає відповідність його даному технологічному процесу. Необхідно дотримуватися умов, які забезпечують регулювання температурного режиму, тривалість перебування продукту в апараті; відповідні робочі швидкості продукту; відповідність апарата тискам робочих середовищ, а також вибір матеріалу апарата відповідно до хімічних властивостей продукту. Також необхідно обов'язково розглядати економічну сторону доцільності проведення процесу. Приділяти увагу високій продуктивності процесу, підвищенню інтенсивності теплообміну за умов дотриманням оптимальних гідравлічних опорів апарата.

Розглядаючи конструктивний підхід, необхідно забезпечити оптимальні габарити апарата(компактність) та його вагу, зручність монтажу і ремонту апарата, простоту конструкції. З цієї точки зору впливають такі фактори як: конфігурація поверхні теплообміну, спосіб кріплення труб в трубних решітках, наявність встановленого компенсатора, який знаходиться у виносному стакані, ущільнень.

Вище представлені вимоги були покладені в основу конструювання і вибору апаратів, які розробляються в дипломному проекті[2].

2. Технічна характеристика апаратів

Технічні характеристики апаратів приведені в таблицях 2.1, 2.2 і 2.3.

Таблиця 2.1 - Технічна характеристика котла - утилізатора

Параметри

Розмірність

Значення

Тиск в трубному просторі

МПа

30

Тиск в міжтрубному просторі

МПа

8,6

Температура циркуляційного газу на вході в труби

592

Температура циркуляційного газу на виході з труб

448

Температура води на вході в міжтрубний простір

383

Температура води на виході з міжтрубного простору

573

Масова витрата циркуляційного газу у трубному просторі

кг/с

89,716

Поверня теплообміну

м2

1722

Об'єм трубного простору

м3

4,4

Об'єм міжтрубного простору

м3

15,51

Масова витрата води у міжтрубному просторі

кг/с

38,335

Кількість труб

шт

2263

Діаметр апарата

мм

1798

Діаметр цетральної труби

мм

426

Маса апарата

кг

69300

Трубний простір - циркуляційний газ: агресивне, токсичне, вибухо та пожежонебезпечне середовище

Міжтрубний простір: вода

Матеріал

09Г2С, 12Х18Н10Т ГОСТ 19281-89

Таблиця 2.2 - Технічна характеристика виносного теплообмінника

Параметри

Розмірність

Значення

Тиск в трубному просторі

МПа

30

Тиск в міжтрубному просторі

МПа

30

Температура циркуляційного газу на вході в труби

488

Температура циркуляційного газу на виході з труб

338

Температура циркуляційного газу на вході в міжтрубний простір

308

Температура циркуляційного газу на виході з міжтрубного простору

4638

Площа теплообміну

м2

3197

Кількість труб

шт.

6115

Діаметр апарата

мм

1916

Об'єм трубного простору

м3

5,4

Об'єм міжтрубного простору

м3

18,6

Маса апарата

кг

142100

Міжтрубний простір - циркуляційний газ: агресивне, токсичне, вибухо та пожежонебезпечне середовище

Трубний простір - циркуляційний газ: агресивне, токсичне, вибухо та пожежонебезпечне середовище

Матеріал

09Г2С, 12Х18Н10Т ГОСТ 19281-89

Таблиця 2.3 - Технічна характеристика колони синтезу

Параметри

Розмірність

Значення

Тиск в реакторі

МПа

30

Масова витрата циркуляційного газу

кг/с

89,716

Температура циркуляційного газу на вході

485,5

Температура циркуляційного газу на виході

592

Температура реакції

773

Діаметр апарата

мм

26602

Висота парата

мм

22932

Поверхня теплообміну

м2

1722

Обєм каталізатора(СА-1)

м3

47,97

Маса апарата

кг

140000

Середовище: агресивне, токсичне, вибухо та пожежонебезпечне

Матеріал

09Г2С, 12Х18Н10Т ГОСТ 19281-89

3. Опис та обґрунтування вибраної конструкції апаратів

3.1 Конструкція і принцип дії апаратів, основних складальних одиниць та деталей

Важливий та найбільш складний апарат системи синтезу аміака - колона синтезу аміаку.

На рисунку 3.1 представлений поличний реактор синтезу аміака - вертикальний апарат, що складається з двох корпусів високого тиску 1 і 2, а також насадки 6.

1 - корпус , 2 - корпус, 3 - теплообмінник, 4 - днище, 5 - кришка, 6 - насадка

Рисунок 3.1 - Реактор синтезу аміаку з поличною насадкою

Насадка складається з каталізаторної коробки і теплообмінника 3. Каталізаторна коробка розміщена в корпусі високого тиску Теплообмінник встановлений у верхній частині основного корпусу і в корпусі, розташованому, на основному корпусі. Між корпусом високого тиску і насадкою є зазор, по якому знизу вхерх проходить газ, що подається в колону. Насадка має ізоляцію.

Внутрішній корпус рулонований, із сталі 12Х18Н10Т зовнішній із сталі 09Г2С, кришка і днище ковані.. Завантаження і вивантаження каталізатора ведуть через люки. Вирівнювання каталізатора на полицях і видалення залишків проводять вручну.

Через всі полиці каталізатора проходять дві кишені для багато зонних термопар. Температуру заміряють в двох точках по перетину на вході і виході газу з шару каталізатора на кожній полиці.

Основною деталлю виносного теплообмінника (рисунок 3.2) високого тиску є циліндрична обичайка-кожух 1, з привареним фланцем до якого з прикріплено за допомогою шпильок плоску кришки 2 та днище 3.

1 - обичайка , 2 - плоска кришка, 3 - днище, 4 - трубчатка, 5 - вхідна камера,6 - вихідна камера, 7 - опора

Рисунок 3.2 - Теплообмінник виносний

В середині корпусу розміщено трубчатку, яка складається з пучка труб 4, та вхідної і вихідної камери 5 і 6 відповідно. Для вводу та виводу теплоносіїв до кожуха і днищ приварено патрубки. Один потік теплоносія направляється через патрубок в вхідну камеру , проходить по трубкам та виходить через патрубок у вихідній камері теплообмінника. Другий потік теплоносія вводиться через лівий патрубок в кожусі в між трубний простір теплообмінника ,омиває зовні трубки та виводиться через правий патрубок.

Тепло від одного теплоносія іншому передається через стінки труб. Теплообмінник стоїть на опорі 7.

Основною деталлю котла - утилізатора (рисунок 3.3) є циліндрична обичайка-кожух 1, з привареними фланцями до якого з двох сторін приварено днища 2 та 3.

1 - обичайка , 2 -кришка, 3 - днище, 4 - трубчатка, 5 - опора

Рисунок 3.3 - Котел - утилізатор

В середині корпусу розміщено трубчатку, яка складається з пучка труб 4. Для вводу та виводу теплоносіїв до кожуха і днищ приварено патрубки .

Один потік теплоносія направляється через патрубок в вхідну камеру, проходить по трубкам та виходить через патрубок у вихідній камері теплообміннику. Другий потік теплоносія вводиться через верхній патрубок в кожусі в між трубний простір теплообмінника, омиває зовні трубки та виводиться через нижній патрубок Тепло від одного теплоносія іншому передається через стінки труб. Котел розміщений на опорі 5[1].

3.2 Вибір матеріалів елементів конструкцій апаратів

Матеріали, що застосовуються для виготовлення апаратів високого тиску, мають відповідати державним стандартам та технічним умовам заводів - виробників. Матеріали слід вибирати з урахуванням можливих змін вихідних фізико-хімічних властивостей під впливом середовища та температури у період експлуатації.

При виборі матеріалів для апаратури керуємося галузевим стандартом ОСТ 26-291-71 «Сосуды и аппараты стальне. Технические требования».

Виносний теплообмінник.

Теплообмінник працює з агресивною вибухонебезпечною азотоводневою сумішю під високим тиском, виходячи з цього для виготовлення корпуса апарата застосовано рулуновану обичайку. Обичайка складена з таких шарів: центральний кожух сталь 09Г2С а зовнішня зі шарів 12Х18Н10Т. Кришка, еліптичне днище, трубна решітка та штуцера виконані зі сталі 09Г2С. Труби у міжтрубному просторі виконані зі сталі 12Х18Н10Т.

Котел - утилізатор працює при меншому тиску у між трубному просторі ніж теплообмінник, середовище з яким контактують деталі апарата циркуляційний газ, враховуючи ці фактори для виготовлення складальних елементів апарата застосовують наступні матеріали. Обичайка виготовляється зі сталі 12Х18Н10Т, оскільки ця частина постійно контактує з циркуляційним газом. Кришка, конічне днище, та штуцера виконані зі сталі 09Г2С .

Колона синтезу також працює з агресивною вибухонебезпечною сумішшю - циркуляційним газом під високим тиском, виходячи з цього для виготовлення корпуса апарата застосовано рулуновану обичайку. Обичайка складена з таких шарів: центральний кожух сталь 09Г2С з 08Х18Н10Т. Кришка, еліптичне днище, трубна решітка та штуцера виконані зі сталі 22Х3М та 09Г2С. Труби виконані зі сталі 12Х18Н10Т.

Корозійно-стійка сталь 12Х18Н10Т використовується для виготовлення зварної апаратури в різних галузях промисловості, а також конструкцій, що працюють у контакті з азотною кислотою та іншими окисними середовищами, деякими органічними кислотами середньої концентрації, органічними розчинниками, в атмосферних умовах. Сталь 12Х18Н10Т рекомендується для зварних виробів, що працюють в середовищах більш високої агресивності, ніж сталь 12Х18Н10Т і володіє підвищеною опірності міжкристалічної корозії Характеристика сталі: щільність - 7,9•10? кг/м?, модуль пружності - 18•104, Н/мм2 при 20°С, питомий електроопір - 0,75•106, Ом•м при 20°С. Хромонікелеєві нержавіючі сталі використовують для зварних конструкцій в кріогенної техніки при температурі до -269оС, для ємнісного, теплообмінного і реакційного обладнання високого тиску з температурою експлуатації до 600°С Сталь 12Х18Н10Т добре зварюються всіма видами ручної і автоматичної зварки.

Таким чином, завдяки унікальному поєднанню властивостей і характеристик міцності, нержавіюча сталь 12Х18Н10Т знайшла найширше застосування практично у всіх галузях промисловості, вироби з цієї сталі мають тривалий термін служби і незмінно високі характеристики протягом усього терміну служби.

Обрані матеріали задовольняють поставленим вимогам та забезпечують надійну роботу апаратів[3,4].

3.3 Патентний огляд конструкцій основного обладнання установки

Розглянемо конструкцію кожухотрубного теплообмінного апарата високого тиску.

Виносний теплообмінник містить вертикальний циліндричний корпус одну кришку, еліптичне днищета теплообмінні труби.

Предметом пошуку є: 1) теплообмінний кожухотрубний апарат з трубчатими теплообмінними елементами; 2) конструкція й матеріал трубчатих теплообмінних елементів.

Суттєвими ознаками апарата є:вертикальний корпус; права і ліва плоскі кришки; трубчасті теплообмінні елементи; нероз'ємне закріплення теплообмінних елементів у трубних плитах за допомогою розвальцьовки та сварки.

1. Вертикальний кожухотрубний теплообмінникм [5]. Схема даного апарата зображена на рисунку 3.4.

Корисна модель належить до теплообмінних апаратів, може бути використана у хімічній, нафтохімічній, фармацевтичній та інших галузях промисловості. Запропонований теплообмінник можна використовувати як для охолодження так і для підігрівання рідини.

Очікуваний ефект - підвищення продуктивності кожухотрубного теплообмінника, забезпечення інтенсифікації теплообміну. Засоби досягнення ефекту: шляхом виконання його теплообмінних трубок з турбулізаторами потоку.

Кожухотрубний теплообмінник містить циліндричний кожух 1, кришку 2 і днище 3, які кріпляться до циліндричного кожуха 1 болтами, що розташовані по всьому діаметру кожуха. Теплообмінні трубки 4 закріплені до верхньої та нижньої трубних решіток 5, що розташовані на торцевих поверхнях кожуха. Рідина, яка нагрівається або охолоджується, потрапляє в кришку апарата по штуцеру 6, а відводиться - по штуцеру 7. Теплоносій надходить в міжтрубний простір теплообмінника по штуцеру 8 і виходить через штуцер 9.

Рідина, яку потрібно нагріти або охолодити, під тиском надходить по штуцеру 6 в кришку 2 з трубною решіткою 5. Далі рідина направляється по пучках теплообмінних трубок 4 в наступну камеру, яка утворюється днищем 3 і трубною решіткою 5.

Таким чином рідина поступово нагрівається або охолоджується, проходячи всі пучки теплообмінних трубок 4. Рідина з потрібною температурою відводиться з апарата по штуцеру 7. Всередину циліндричного кожуха 1 по штуцеру 8 надходить нагріваючий або охолоджуючий теплоносій, який омиває трубний пучок і виходить через штуцер 9.

1-кожух; 2 - кришка; 3- днище; 4 - теплообмінні труби; 5- трубні решітки; 6,7-штуцер для трубного простору; 8,9- штуцер для міжтрубного простору

Рисунок 3.4 - Вертикальний кожухотрубний теплообмінник

В кожухотрубному теплообмінному апараті використовуються теплообмінні трубки 4, на внутрішній поверхні яких виконані спіралеподібні канавки з правою та лівою нарізкою. При проходженні рідини по цих трубках в місцях спіралеподібних канавок пристінний шар потоку створює турбулентні вихри, які поширюються вздовж стінки, змішуються з ядром потоку, що і призводить до збільшення коефіцієнта теплообміну в теплообмінних трубках.

Технічний результат від запропонованої конструкції кожухотрубного теплообмінника з використанням теплообмінних трубок, на внутрішній поверхні яких виконані спіралеподібні канавки з правою та лівою нарізкою, які турбулізують потік в пристінному шарі та забезпечують інтенсифікацію теплообміну всередині трубок, а відповідно і збільшується коефіцієнт тепловіддачі, а отже і теплопередачі, полягає у збільшенні продуктивності такого теплообмінного апарата.

Перевагою даної конструкції є можливість турбулізації потоку в пристінному шарі, що забезпечить інтенсифікацію теплообміну всередині трубок, а значить збільшить коефіцієнт тепловіддачі; збільшення продуктивності. Недоліком даної конструкції є збільшення витрат на монтаж та обслуговування, обмежене використання середовищ, важкість очищення трубного простору.

2. Вертикальний теплообмінник[6]. Дана схема апарата зображена на рисунку 3.5. Корисна модель належить до теплообмінних апаратів, може бути використана у хімічній, нафтохімічній, фармацевтичній та інших галузях промисловості. В якості регенеративних систем, систем теплопостачання. Очікуваний ефект - інтенсифікації теплообміну, зниження вартості апарата та монтажних робіт. Засоби досягнення ефекту: встановленням оребрення на трубах, спрощення конструкції за рахунок дефлектора. Кожухотрубний теплообмінник містить циліндричний корпус 9, в якому розміщено ряд вертикальних труб 2, між якими встановлено горизонтальні перегородки, що в свою чергу утворюють полиці 7.

В центрі корпуса встановлено дефлектор 6, для проходження теплоносія, на кришках встановлено штуцер 14, за допомогою якого можливо здійснювати моніторинг деталей. Для здійснення кругового руху теплоносії є впускний 4 і випускний 3 колектори. Гарячий теплоносій надходить в трубний простір теплообмінника по штуцеру 12 і виходить через штуцер 13.

Теплообмінник працює наступним чином: рідина, яку потрібно нагріти або охолодити, під тиском надходить по штуцеру 6 в кришку 2 з трубною решіткою 5. Далі рідина направляється по пучках теплообмінних трубок 4 в наступну камеру, яка утворюється днищем 3 і трубною решіткою 5. Таким чином рідина поступово нагрівається або охолоджується, проходячи всі пучки теплообмінних трубок 4. Рідина з потрібною температурою відводиться з апарата по штуцеру 7. Всередину циліндричного кожуха 1 по штуцеру 8 надходить нагріваючий або охолоджуючий теплоносій, який омиває трубний пучок і виходить через штуцер 9.

1-теплообмінник; 2-труба; 3,4 - колектор; 5- перегородки; 6-центральний дефлектор; 7-полиця, 9 - циліндричний корпус, 10-розширення 11-трубна решітка, 12, 13- вхід і вихід гарячого теплоносія;14-штуцер

Рисунок 3.5 - Вертикальний кожухотрубний теплообмінник

В циліндричному корпусі розташовано пучок паралельних вертикальних труб, в яких тече перший теплоносій, по центральному дефлектору проходить другий теплоносій (вода) з нижчою температурою. В теплообміннику забезпечується зворотньо-поступальний рух теплоносії за рахунок встановлення горизонтальних перегородок з отворами для проходження теплоносія, перегородки утворюють полиці впускного та випускного колектора. Кількість трубок 2 залежить від потоку пари, необхідно керуватися такими параметрами як тиск і температура. Трубки 2 оснащені поперечними або поздовжніми ребрами (не показані), ці ребра розташованих по спіралі, щоб збільшити поверхню теплопередачі, яка знаходиться в контакті з теплоносієм.

Теплоносій проходить через пучок труб 2 горизонтально на кожній полиці 7 с по суті з горизонтальним вектором швидкості, а потім переходить до наступної полиці і тощо, в режимі зворотного обертання, тобто поперемінно за годинниковою стрілкою і проти годинникової стрілки обертання від однієї полиці 7 до наступної, знову біжить через пучок труб і так далі.

Концепція теплообмінника відповідно до цього винаходу дозволяє використовувати труби з ребрами (не показані), так, щоб оптимізувати теплообмін.

В центрі корпуса розташовано циліндричний дефлектор з закріпленими кінцями, при цьому утворюючи на кожній полиці кільцевий простір за допомогою другої текучого середовища, утворені проходи між двома полицями, так що другий теплоносій поперемінно протікає у зворотному напрямку в зазначених двох суміжних перегородках. Колектори забезпечені спеціальними порожнинами, що створюють доступ для управління, ремонту або заміни будь-яких трубчатих елементів або їх складання.

Перевагою даної конструкції є можливість турбулізації потоку це забезпечує інтенсифікацію теплообміну, а значить збільшить коефіцієнт тепловіддачі, за рахунок використання регенерованого теплоносія процес стає дешевшим.

Недоліком даної конструкції є великий гідравлічний опір, а також обмежене використання середовищ, важкість очищення трубного простору.

Корисна модель належить до теплоенергетичної, хімічної та нафтохімічної промисловості і призначений для використання в багатотоннажних промислових установках.

Очікуваний ефект - розширення діапазону параметрів експлуатації теплообмінника по температурі, тиску і витратах, підвищенні надійності роботи і довговічності, а також зниженні матеріалоємності.

Спосіб досягнення ефекту: за рахунок зміни форми конструктивних елементів, а також їх розташування досягається поставлення технічна задача.

В кожухотрубному теплообміннику, що містить корпус, днище, трубний пучок, закритий з двох сторін трубними решітками, виконаними у формі диска з безперервними, розташованими концентрично виступами і западинами, в яких виконані отвори для кріплення трубок трубного пучка. Будь-який виступ або западина в поперечному перерізі мають форму прямокутного трикутника, одна сторона якого перпендикулярна площині трубної решітки, а інша нахилена до неї, при цьому отвори для кріплення трубок виконані на середині похилій боку, а в центрі трубної решітки є циліндровий виступ з отвором для кріплення центральної трубки.

Теплоносій трубного простору надходить через днище 2 на трубну решітку 4 і в трубки 7 і 9, закріплені в ній. Проходячи через трубки 7 і 9, теплоносій обмінюється теплом через їх стінки з теплом теплоносія міжтрубному простору, яке обмежене корпусом 1 теплообмінника і трубними решітками 4, потім через другу трубну решітку 4, в якій трубки 7 і 9 закріплені іншими кінцями, надходить в протилежне днище 2 і через отвір в цьому днищі проходить в інший апарат. При цьому на трубну решітку 4 діють тиск теплоносія, власна маса, маса трубок 7 і 9 з розміщеними в них інтенсифікатором теплообміну, а також викликані перепадом температур напруги. Виступи і западини 5 на трубних решітках 4 сприяють розсіюванню напружень в декількох напрямках, запобігаючи виникненню опуклостей або тріщин, підвищують жорсткість трубної решітки 4 і дозволяють зменшити її масу. Досягається більш рівномірний розподіл потоку трубного простору по всіх трубках 7 і 9, а також більш інтенсивний теплообмін поблизу трубних решіток 4.

Перевагою даної конструкції є розсіюванню напружень в декількох напрямках, запобігаючи виникненню опуклостей або тріщин, що підвищує жорсткість трубної решітки та веде до зменшення її маси. Досягається рівномірний розподіл потоку трубного простору по всіх трубках, а також більш інтенсивний теплообмін поблизу трубних решіток.

Недоліком даної конструкції є великий гідравлічний опір, складність конструкції.

Розглянемо конструкціюкотла-утилізатора високого тиску.

В якості котла-утилізатора за основу приймається вертикальний кожухотрубний теплообмінний апарат.

Теплообмінний апарат містить вертикальний циліндричний корпус, теплообміні трубки.

Предметом пошуку є: 1) теплообмінний кожухотрубний апарат з трубчатими теплообмінними елементами; 2) конструкція й матеріал трубчатих теплообмінних елементів.

Суттєвими ознаками апарата є: вертикальний корпус; трубчасті теплообмінні елементи нероз'ємне закріплення теплообмінних елементів у трубних плитах за допомогою підвальцовки з обваркою.

4. Вертикальний теплообмінник[8], що зображений на рисунку 3.7 відноситься до області енергетики і може бути використаний в теплообмінних апаратах регенеративних систем, систем теплопостачання, призначених для підігрівання води за рахунок конденсації пари на трубах поверхні теплообміну.

Очікуваний ефект:підвищиння економічності роботи теплообмінника і забезпечення оптимальних умов для теплообміну.

Засоби досягнення ефекту: за рахунок спрощення конструкції. Запропонований теплообмінник, що включає корпус з патрубками входу пари і виходу його конденсату, розподільну водяну камеру з перегородкою і патрубками входу і виходу води, що нагрівається, трубну систему з вбудованим охолоджувачем конденсату з бічними вертикальними стінками і горизонтальними перегородками. Прицьому в бічних стінках охолоджувача конденсату між трубною дошкою і першою направляючою горизонтальною перегородкою, а також між останньою і передостанньою горизонтальними перегородками виконані отвори, сполучені між собою герметичними коробами, розташованими за межами охолоджувача конденсату, а друга горизонтальна перегородка охолоджувача конденсату сполучена з корпусом над патрубком виходу конденсату. Рішення, що заявляється, дозволяє забезпечити на більшій частині поверхні теплообміну протиточний рух теплоносіїв, а отже, зменшити поверхню теплообміну на 10-15% в порівнянні з прямоточним рухом за однакових початкових умов. Одночасно у верхню частину охолоджувача конденсату поступає переохолоджений (по відношенню до температури насичення) конденсат, що унеможливлює його скипання і появи гідроударів, здатних зруйнувати охолоджувач конденсату. Таким чином, рішення, що заявляється, дозволяє підвищити економічність роботи теплообмінника за рахунок спрощення конструкції і забезпечення оптимальних умов для теплообміну. Недоліком є складність внутрішньої будови та збільшений гідравлічний опір.

1 - корпус; 2, 5 - патрубки входа теплоносіїв; 3,6 - патрубки вихода теплоносіїв; 4 - розподільна камера; 7 - трубна плита; 8 - теплообмінні трубки

Рисунок 3.6 - Схема теплообмінника

5. Вертикальний теплообмінник, який зображений на рисунку 3.8.

Винахід відноситься до галузі енергетики і може бути використане в теплообмінних апаратах регенеративних систем, систем теплопостачання, призначених для підігріву води за рахунок теплоти перегрітого пара, конденсації на трубах поверхні теплообміну та переохолодження конденсату що гріє пара.

Очікуваний ефект:підвищення надійності і економічності теплообмінника.

Засоби досягнення ефекту: за наявності лише одного джерела теплоти для підігріву води (пар з одного відбору турбіни) здійснює підігрів води у двох самострільних трубних системах, які мають «свої» автономні трубні дошки, перепад температур в яких буде с оставлять половину заданого максимального перепаду, тобто максимальний підігрів води порівну між двома трубними системами, що знижує можливість «викривлення» трубних дощок, порушень щільності фланцевого з'єднання трубної дошки з фланцями вод ної камери і корпусу, а також вальцювальних з'єднань труб поверхні теплообміну в трубних дошках, зменшує вигин трубних систем і можливість стирання трубок поверхні теплообміну в місцях проходу їхчерез отвори в перегородках.

Недоліком є складність конструкції та збільшений гідравлічний опір.

1 - корпус; 2 - трубні плити; 3 - теплообмінні трубки; 4 - перегоротки; 5 - розподільча камера

Рисунок 3.7 - Схема теплообмінника

6. Вертикальний теплообмінник [10] зображений на рисунку 3.9. Винахід призначене для застосування в конструкціях теплообмінних апаратів, переважно водо-водяних підігрівачів, а також може бути використане в системах теплопостачання.

Очікуваний ефект:підвищення надійності і економічності теплообмінника, підвищиення технологічність виготовлення теплообмінника при забезпеченні універсальності його використання, забезпечення ефективності роботи, зниження габаритів і металоємність при забезпеченні заданої ефективності роботи.

Засоби досягнення ефекту. Теплообмінник містить кожух з розташованими в ньому теплообмінними трубами, поперечними і поздовжньої перегородками, трубні дошки, що утворюють з кожухом міжтрубний простір, компенсатор, виконаний на кожусі, що має внутрішню перегородку камеру подачі середовища в труби і відведення з них і камеру повороту середовища, що примикають до трубним дощок, що утворюють з трубами трубне простір і виконані шарнірно відкривають, і патрубки подачі та відводу середовища в міжтрубний простір і камеру подачі середовища. Теплообмінник виконаний з можливістю організації руху середовищ по трубному і міжтрубний простір в 2 або 4 ходи і секціонування.

1 - корпус; 2 - теплообмінні трубки; 3 - перегоротки; 4 - теплоізольована перегоротка; 5 - трубні плити

Рисунок 3.8 - Схема теплообмінника

Продольная перегородка кожуха виконана плоскою або хрестоподібної. Поперечні і поздовжня перегородки кожуха забезпечені ущільненнями.

Перевагою є те, що винахід дозволяє підвищити технологічність виготовлення теплообмінника при забезпеченні універсальності його використання при зміні положення його поздовжньої осі, а також знизити габарити і металоємність при забезпеченні заданої ефективності роботи.

Розглянемо конструкції колони синтезу аміаку.

Колонний апарат містить вертикальний циліндричний корпус, дві кришки, внутрішню насадку з полками.

Предметом пошуку є: 1) колонний апарат з насадкою; 2) конструкція й матеріал насадки.

Суттєвими ознаками апаратів є: вертикальний корпус ;верхня й нижня кришки; полчата насадка.

7. Колона синтезу [11].зображений на рисунку 3.9. Винахід відноситься до конструкцій колон для проведення тепло-масообмінних процесів і може бути використане в нафтохімічній, хімічній та харчовій промисловості.

1 - корпус; 2 - трубчаті контактні пристрої; 3 - пристрій для відводу тепла; 4 - розподільчий пристрій; 5 - трубні решітки

Рисунок 3.9 - Схема колони

Очікуваний ефект:підвищення ефективності.

Засоби досягнення ефекту: запобігання термічного розпаду термолабільних компонентів і раціонального розподілу потоків мас.

Колонна містить корпус 1, у верхній частині якого розміщено пристрій для відводу тепла у вигляді холодильника 2 з трубними гратами 3 і 4, а в нижній частині - пристрій, для теплоподвода у вигляді нагрівача 5 з трубними гратами 7 і 8. Тим трубними гратами вздовж всього корпусу розміщені трубчасті контактні пристрої 9, верхня частина яких має потовщення 10 (в порожнину контактних пристроїв), а нижня частина - потовщення 11 (на зовнішню поверхню контактних елементів). Над холодильником 2 встановлено розподільчий пристрій у вигляді тарілки 12 з трубними пристроями 13 введення і розподілу кубового залишку атмосферної частини в влкуумірованную порожнину пристроїв 9. Колона забезпечена штуцерами 14-23 і пристрій розподілу вихідної суміші (не показано). Колона також має виносні теплообмінники 24-28 та нагрівачі 29 і 6.

8. Колонасинтезу [12]зображений на рисунку 3.11. Винахід відноситься до масообмінних обладнання, що застосовується в лабораторіях НДІ і промислових підприємств хімічної, нафтохімічної, газової, хіміко-фармацевтичної та суміжних галузях промисловості.

1 - корпус; 2 - тубус; 3, 4 - вхідний та вихідний сферичні шліфи; 5 - перфорована воронка; 6 - насадка; 7 - патрубки; 8 - робочий простір заповнений насадкою

Рисунок 3.10 - Схема колони

Очікуваний ефект:- підвищення ефективності процесу массопередачі на насадці.

Засоби досягнення ефекту:за рахунок посилення турбулізації взаємодіючих потоків пари (газу) - рідини.

Насадокова колона, яка містить вертикальний циліндричний корпус, опорну перфоровану воронку, розташовану в нижній частині корпусу, тубус, закріплений на нижній частині корпусу зовні опорної воронки і виконаний з шліфують, насадку, вміщену в корпус на лійку, і поміщені в воронку зігнуті патрубки, вхідні кінці яких упаяні у верхню частину воронки, а вихідні розташовані нижче їх і на відстані щодо воронки, що відрізняється тим, що з метою підвищення ефективності процесу массопередачі за рахунок посилення турбулізації взаємодіючих потоків, інші кінці вигнутих патрубків відігнуті до центру, при цьому вісь патрубків розташована коаксіалию поверхні тубуса, патрубки розташовані щодо стінки воронки на відстані 0.5 діаметру патрубка.

9. Ректифікаційна колона[13]зображений на рисунку 3.12. Винахід відноситься до тепло-масообмінний пристрій і може знайти застосування в хімічній та суміжних галузях промисловості при регенерації відпрацьованої азотної кислоти.

Очікуваний ефект:інтенсифікація процесу абсорбції оксидів азоту, зменшення втрат товарного продукту від термохімічних розкладання і з дистилятом, виключення забруднення навколишнього середовища.

Засоби досягнення ефекту:контактні тепломассообменні пристрої складаються з переплетених труб, розташованих на сітчатой конусної решітці, при цьому в центральній частині решітки труби укладені в кожух, закріплений верхній відкритою частиною решітці і має зрошувач, що знаходиться у верхній частині кожуха.

Ректифікаційної колони для концентрування азотної кислоти, що містить вертикальний циліндричний корпус, розділений по висоті на окремі секції, парціальний конденсатор, шламовідстійників, зрошувачі, трубчасті контактні тепло-масообмінний пристрій, конденсатор і випарник.

1 - корпус; 2 - насадка; 3 - решітка; 4 - колектор; 5 - конусна решітка; 6 - трубчаті тарілки

Рисунок 3.11 - Схема колони

У результаті проведення патентних досліджень встановлено:

1. Винахідницька активність промислово-розвинутих країн у галузі розроблення та вдосконалення обладнання синтезу аміаку спрямована на зменшення енергоспоживання та підвищення якості одержуваного продукту.

Зокрема, основними цілями модернізації колон синтезу є зменшення робочого тиску та підвищення стабільності температурного режиму. Переважно патентуються технічні рішення, що стосуються насадок, каталізаторів та іншого застосування в процесі синтезу.

Вдосконалення конструкцій котлів-утилізаторів та теплообмінників спрямовано на інтесифікацію теплообміну, зменшення гідравлічного опору та оптимізацію режиму руху теплоносіїв. При цьому патентовані винаходи й корисні моделі стосуються як апаратів у цілому, так і їхніх складових частин.

2. Державами, що переважно патентують технічні рішення в галузі синтезу аміаку, є країни з розвинутою хімічною промисловістю - США, Німеччина, Японія та Китай. Кількість українських винаходів і корисних моделей за темою проекту останнім часом скоротилося.

3. Компенсувати температурне розширення труб можна за допомогою компенатора, який знаходиться у виносному стакані.

4. Попередній аналіз конструкцій проектованих апаратів дозволяє припустити, що модернізація не потребуватиме придбання ліцензій на випуск нової продукції.

5. Прийняті технічні рішення відповідають сучасному рівню науки й техніки.

4. Розрахунки, що підтверджують працездатність та надійність конструкцій

4.1 Розрахунок матеріального балансу колони

Метою розрахунку матеріального балансу колони є визначення основних матеріальних потоків, обчислення концентрацій компонентів на різних стадіях процесу, визначення основних геометричних розмірів.

Розрахунок ведеться за допомогою програми, на мові QBasic за методикою, викладеною в [1].

Вихідні дані:

Продуктивність по аміаку, G, т/добу 1420;

Тиск, Р, МПа 30;

Вміст аміаку в початковій суміші, z1(2), % 3,1;

Вміст аргону в початковій суміші, z 1(3), % 4;

Вміст метану в початковій суміші, z1(5), % 3,6;

Температура реакції, Tp,0C 500.

Розрахункова схема представлена на рисунку 4.1

Рисунок 4.1 - Схема до розрахунку матеріального балансу колони

Коефіцієнти з індексом 1, відповідають процесам і речовинам, що надходять до реактора, 2 - речовини, що виходять з реакторау.

Скористаємось алгоритмом, запропонованим авторами [1].

З метою спрощення вводимо наступні індекси позначень окремих компонентів - 1-азот, 2-аміак, 3-аргон, 4-водень, 5-метан. Визначаємо початковий склад циркуляційного газу. З вихідних даних відомо вміст аміаку, аргону і метану.

За довідником [14] визначаємо молярні маси компонентів циркуляційного газу

Синтез аміаку може бути описаний оборотною екзотермічною реакцією:

1,5Н2+0,5N2 = NH3+Q

Відомо, що до колони подається циркуляційний газ стехіометричного складу (z1(4):z1(1)=3:1). Звідции випливає, що вміст азоту z1(1) та водню z1(4) можна визначити наступним чином:

де z1(2) - вміст аміаку, z1(3) - вміст аргону, z1(5) - вміст метану.

Згідно з принципом Ле-Шательє вихід продукту буде збільшуватись при збільшенні тиску і зниженні температури[1].

Продуктивність реактора по аміаку:

Для розрахунку значень константи рівноваги Кр при різних температурах і тисках запропоновано ряд емпіричних і теоретичних рівнянь, з яких найбільш простим є емпіричне рівняння А.Ларсона і Р.Доджа [ ]:

де та i- константи інтегрування:

,

Теоретична рівноважна концентрація аміаку в газовій суміші:

Де

де bтаu - коефіцієнти.

Звідси приймаємо значення частки аміаку на виході з колони:

Мольна витрата циркуляційного газу на виході у колону, кмоль/с:

Мольна витрата циркуляційного газу на вході у колону, кмоль/с:

де- кількість циркуляційного газу, що увійшов в колону синтезу;- вихід циркуляційного газу з колони синтезу, (2) і - концентрації аміаку на виході і вході в колону; - кількість аміаку, що утворилася в колоні.

Мольна витрата циркуляційного газу на вході у колону синтезу по компонентам, кмоль/с:

Об'ємна витрата циркуляційного газу на в ходіу колону синтезу по компонентам, :

де h=22,4 л - згідно закону Авогадро(1 моль газу при нормальних умовах займає 22,4 літра).

Масова витрата циркуляційного газу на вході у колону синтезу по компонентам,:

Загальна масова витрата циркуляційного газу на входіу колону синтезу по компонентам,:

Масові частки циркуляційного газу на вході у колону синтезу по компонентам:

Мольна витрата циркуляційного газу на виході з колони синтезу по компонентам, кмоль/с:

Об'ємні витрати циркуляційного газу на виході з колони синтезу по компонентам:

Об'ємні витрати циркуляційного газу на виході з колони синтезу по компонентам, м3/с:

Сума об'ємних витрат циркуляційного газу на виході з колони синтезу :

Масові витрати циркуляційного газу з колони синтезу по компонентам, кг/с:

Загальні масові витрати циркуляційного газу з колони синтезу по компонентам, кг/с:

Масові частки компоненті циркуляційного газув на виході з колони синтезу:

Сума масових часток компонентів на виході з колони синтезу:

Запишемо параметри циркуляційного газу на вході до колони синтезув таблицю 4.1 та на виході з колони в таблицю 4.2.

Таблиця 4.1- На вході до колони синтезу

Компонент

г\моль

кмоль/с

м3/с

кг/с

1

2

3

4

5

6

7

азот

28,014

0,223

1,943

43,526

54,434

0,607

аміак

17,031

0,031

0,27

6,044

4,595

0,051

аргон

39,948

0,04

0,348

7,799

13,908

0,155

водень

2,016

0,67

5,829

130,577

11,752

0,131

метан

16,043

0,036

0,313

7,019

5,027

0,056

Сума

1,00

8,704

194,964

89,716

1,00

Таблиця 4.2- На виході з колони сентезу

Компонент

г\моль

кмоль/с

м3/с

кг/с

1

2

3

4

5

6

7

азот

28,014

0,189

1,461

32,718

40,917

0,456

аміак

17,031

0,16

1,235

27,66

21,03

0,234

аргон

39,948

0,045

0,348

7,799

13,908

0,155

водень

2,016

0,566

4,382

98,153

8,834

0,098

метан

16,043

0,04

0,313

7,019

5,027

0,057

Сума

1,00

7,739

173,348

89,716

1,00

4.1.2 Розрахунок об'єму каталізатору в колоні

Мета: розрахувати потрібний об'єм каталізатору для заданої кількості аміаку на кожній полиці і в цілому.

Вихідні дані:

Виробність колони по аміаку, G, т/добу 1420;

Загальний тиск у колоні, Р, МПа 30;

Температура газової суміші, С:

- на вході в шар каталізатору, Tn 468,05;

- на виході з каталізатора, TK 532,9;

Температура реакції синтезу, Tp,С, 500.

Стехіометричний склад циркуляційного газу.

Домішки, %:

- азоту, 22,3;

- аміаку, 3,1;

- аргону, 4;

- водню, 67;

- метану, 3,6.

Об'ємна витрата на вході, ,V1

Об'ємна витрата на виході, ,V2

Розраховуємо матеріальний баланс по кожній полиці.

Розрахункова схема представлена на рисунку 4.2

Циркуляційний газ потрапляє на першу полицю де відбувається реакція синтезу. Виходячи з неї він змішується із свіжим байпасним газом температура якого від газу який виходь з полиці. На другу полицю циркуляційний газ потрапляє з дещо нижчою температурою.

Після реакції на другій полці циркуляційний газ вміщує в собі більше аміаку і також змішується з байпасним газом перед входом до третьої полиці. Після третьої полиці циркуляційний газ з максимальною концентрацією аміаку виходить з реактору.

Рисунок 4.2 - Схема до розрахунку полиць колони

Приймаємо, що доля байпасного газу становить КВ = 0,25 від основного потоку. kW = 52400 - кінетичний коефіцієнт.

Фізичні властивості циркуляційного газу задаємо у вигляді поліномів в залежності від температури і концентрації аміку.

(4.1)

Приймаємо, що температура циркуляційного газу на кожній полиці змінюється від Tn=468,050Cдо Tк=523,9 0Cпричому кінцеву температуру приймаємо постійною, а початкову температуру змінюємо при необхідності до досягнення результату.

Масова витрата циркуляційного газу яка потрапляє на першу полицю визначається за формулою:

m11 = m1 (1 - КВ)= 89,716 (1-0,25)=67,287 кг/с.

Визначаємо V1(i) витрату аміаку на вході:

m11(2) = m11?b11(2)=67,287?0,051=3,446 кг/с;

V11(2) = m11(2)/M(2)=3,01/17,0304=0,202 кмоль/с.

Сумарні витрати:

V11 = V11(2)/z11(2)=0,176/0,043=6,528 кмоль/с

Нехай температура початку реакції становить Tn=468,050C кінцева температура реакції Tk=532,90C. Середня температура:

Tс = (Tn + Tk)/2=(468,05+532,9)/2=500,5?C.

Приймаємо концентрацію аміаку на першій полиці такою, як в на вході в колону:

zср = z1(2)=0,031.

Середню питому теплоємність циркуляційного газу визначаємо за (4.1):

Кількість тепла, що виділиться в результаті реакції становить:

Q1 = m11Cp1 (Tk - Tn)=67,287 3466 (532,9-468,05)=1,512 107 Дж.

Питома теплота реакції визначається за формулою:

Кількість аміаку, що утворилась на першій полиці становить

Обчислюємо витрати та склад газової суміші на виході з першої полиці аналогічно розрахунку витрат та складу суміші на виході із колони. Всі результати зводимо в таблицю 4.3.

Розрахунок теплового та матеріального балансу змішувача.

При подачі байпасного газу в змішувач температура циркуляційного газу повинна дорівнювати початковій температурі Tn =468,050C.З теплового балансу обчислюємо масову витрату байпасу після першої полиці.

m1b = m11?(Tk - Tn)/(Tk - Tb)=67,287? (532,9-468,05)/(532,9-35)=8,764 кг/с.

Обчислюємо витрати компонентів байпасного газу після першої полиці:

m1b(i) = m1b b1(i) (4.2)

V1b(i) = m1b(i)/M(i) (4.3)

U1b(i) = V1b(i) 22,4 (4.4)

Обчислюємо витрати компонентів на вході на другу полицю як суму витрат компонентів після першої полиці та витрати компонентів байпасного газу після першої полиці за формулами (4.2), (4.3), (4.4) отримані результати характеризують циркуляційний газ який потрапляє на другу полицю.

Матеріальний баланс другої полиці та змішувача після неї виконуємо аналогічно першій полиці. Розрахунок матеріального балансу третьої полиці виконуємо також аналогічно першій полиці. Всі результати розрахунку зведені в таблицю 4.3. З результатів розрахунку видно, що незважаючи на розміри полиць на них утворюється приблизно рівна кількість аміаку.

Таблиця 4.3 - Результати розрахунків матеріальних балансів полиць і змішувачів.

Компонент

z, %. част.

V, кмоль/с

U, м3/с

m, кг/с

b, мас. част

Вхід на першу полицю

Азот

0,223

1,457

32,644

40,826

0,607

Аміак

0,031

0,202

4,533

3,446

0,051

Аргон

0,04

0,261

5,849

10,431

0,155

Водень

0,67

4,372

97,933

8,814

0,131

Метан

0,036

0,235

5,264

3,77

0,056

Сума

1

6,528

146,223

67,287

1,00

Вихід з першої полиці (вхід до першого змішувача)

Азот

0,21

1,318

29,531

36,933

0,549

Аміак

0,077

0,48

10,759

8,18

0,122

Аргон

0,042

0,261

5,849

10,431

0,155

Водень

0,633

3,955

89,594

7,973

0,118

Метан

0,038

0,235

5,264

3,77

0,056

Сума

1

6,25

139,997

67,287

1

Кількість аміаку що утворилося на першій полиці 0,278 кмоль/с.

Вхід на другу полицю (вихід з першого змішувача)

Азот

0,212

1,508

33,783

42,25

0,555

Аміак

0,071

0,507

11,349

8,629

0,114

Аргон

0,042

0,295

6,611

11,79

0,155

Водень

0,637

4,525

101,35

9,121

0,12

Метан

0,037

0,266

5,95

4,261

0,056

Сума

1

7,1

159,043

76,051

1

Вихід з другої полиці (вхід до другого змішувача)

Азот

0,199

1,351

30,262

37,847

0,498

Аміак

0,121

0,821

18,391

13,983

0,184

Аргон

0,043

0,295

6,611

11,79

0,155

Водень

0,597

4,053

90,787

8,17

0,107

Метан

0,039

0,266

5,95

4,261

0,056


Подобные документы

  • Технологічна схема установки, оцінка подібних апаратів в промисловості. Вибір конструкційних матеріалів. Технологічний розрахунок: матеріальний та тепловий баланс, параметри підконтактного теплообмінника. Конструктивний розрахунок колони синтезу аміаку.

    курсовая работа [262,6 K], добавлен 10.12.2010

  • Огляд методів виробництва вінілацетату. Побічні продукти синтезу вінілацетату та методи їх використання. Вибір та опис технологічного вузла ректифікації. Розрахунок ректифікаційної колони. Гідравлічний опір колони, розрахунок насоса та дефлегматора.

    дипломная работа [2,5 M], добавлен 19.07.2014

  • Швидкість реакції синтезу аміаку. Вплив тиску, температури та концентрації аміаку на протікання реакції. Оптимальне співвідношення реагентів. Розрахунок кількості теплоти при синтезі аміаку. Обчислення константи та продуктивності колони реакції синтезу.

    контрольная работа [50,5 K], добавлен 05.04.2011

  • Опис видів котлів-утилізаторів і характеристика автоматичної системи регуляції температури перегрітої пари на виході з котла-утилізатора КУ-80. Розрахунок метрологічних характеристик вимірювальних каналів АСР. Структурна схема функцій і надійності АСР.

    дипломная работа [1,4 M], добавлен 31.03.2011

  • Типи та конструкції свердловини. Призначення та конструкція бурильної колони та її елементів. Умови роботи бурильної колони в свердловині. Конструкція і характеристика ведучої, бурової та обважненої труби. Експлуатація бурильних труб, техніка безпеки.

    дипломная работа [8,8 M], добавлен 25.06.2009

  • Отримання азотно-водневої суміші для виробництва синтетичного аміаку. Фізико-хімічні основи процесу та його кінетика. Вибір технологічної схеми агрегату синтезу аміаку. Проект парофазного конвертора метану. Охорона навколишнього середовища та праці.

    курсовая работа [1,7 M], добавлен 22.02.2012

  • Схема та принцип роботи ректифікаційної установки періодичної дії, вибір тиску і температурного режиму. Матеріальний та тепловий розрахунок установки. Визначення флегмового числа і побудова діаграм рівноваги. Гідравлічний розрахунок ситчатих тарілок.

    курсовая работа [770,1 K], добавлен 30.04.2014

Работы в архивах красиво оформлены согласно требованиям ВУЗов и содержат рисунки, диаграммы, формулы и т.д.
PPT, PPTX и PDF-файлы представлены только в архивах.
Рекомендуем скачать работу.