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

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

Перелік скорочень, умовних позначень та термінів

Умовні позначення:- висота, м;

С - додаток до розрахункової товщини, м;

D, d - діаметри, м;потужність, Вт;

G - масова витрата, кг/с;об’ємна витрата, м3/с;швидкість, м2/с;, p - тиск, Па;- температура, К;поверхня теплообміну, м2;- термічний опір, м2∙К/Вт;

с - питома теплоємність, Дж/(кг∙К);- масова доля, %;молярна маса, г/моль;

α − коефіцієнт тепловіддачі, Вт/(м2·K);

λ - коефіцієнт теплопровідності, Вт/(м∙К);

К - коефіцієнт теплопередачі, Вт/м2·K.

Критерії:- критерій Нуссельта;- критерій Рейнольдса;- 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].

. 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].

.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].

. Технічна характеристика апаратів

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

Таблиця 2.1 - Технічна характеристика котла - утилізатора

Таблиця 2.2 - Технічна характеристика виносного теплообмінника

Таблиця 2.3 - Технічна характеристика колони синтезу