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

3. Опис та обґрунтування вибраної конструкції апаратів

.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.

- 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.

- 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.

- 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].

.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∙10³ кг/м³, 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 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.

.        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.

-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.

-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.