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

Визначаємо об'ємну швидкість циркуляційного газу на вході до першої полиці:

Визначаємо об'ємну швидкість циркуляційного газу на виході з першої полиці:

Розраховуємо кількість каталізатору на полицях для утворення необхідної кількості аміаку. Схема розрахунку представлена на рисунку 4.3.

Рисунок 4.3 - Схема розміщення каталізатору в колоні

Розрахунок першої полиці:

Об’ємна швидкість - це витрати циркуляційного газу віднесеного до 1 м3 каталізатора за годину, визначені за умови досягнення заданої концентрації.

В основу розрахунку об'єму каталізатора на полиці покладені співвідношення:

= U13600/W1=146,223 3600/158600=3,319 м3;= U2 3600/W2=139,997 3600/33790=14,916 м3;= Vkf2 - Vkf1 =14,15-3,319=11,596 м3.

де U1=146,223м3/с - об’ємна витрата циркуляційного газу на вході до першої полиці, U2=139,997м3/с - об’ємна витрата циркуляційного газу на виході з першої полиці, W1=158600 год-1 - об’ємна швидкість циркуляційного газу на вході в першу полицю, W2=33790год-1- об’ємна швидкість циркуляційного газу на виході з першої полиці.

Дві інші полиці розраховуються за таким же алгоритмом.

Результати розрахунків зведені в таблицю 4.4.

Таблиця 4.4 - Результати розрахунку об’єму каталізатору

Висновок:з розрахунку видно, що кількість утвореного аміаку на кожній полиці приблизно рівна, але об’єм каталізатору повинен бути більшим(робиться запас по каталізатору).

4.1.3 Розрахунок геометричних розмірів реактора та насадки

Мета: визначити геометричні розміри елементів та швидкості потоків в апараті.

Розрахункова схема представлена на рисунку 4.4.

Визначаємо внутрішні розміри.

Приймаємо коефіцієнт запасу об’єму каталізатора К = 1,3.[1]

Необхідний об’єм каталізатора:кат = К Vк=1,15 51,654=59,402 м3.

Приймаємо співвідношення між внутрішньою висотою та внутрішнім діаметром колони Y = 13 [1].

Тоді для даного типу колони розрахунковий внутрішній діаметр становить:

D8 =

Приймаємо за ГОСТ 11876 - стандартний діаметр колони D1 = 2,6 м.

Визначення геометричних розмірів насадки.

Для подальших розрахунків приймаємо температурний режим роботи колони, С:

-    середня температура циркуляційного газу в першому каналіTc1 = 186,5;

-        середня температура циркуляційного газу в другому каналі Tc2 = 424,5;

         середня температура циркуляційного газу в третьому каналі Tc3=500.

Рисунок 4.4 - Геометричні розміри каналів реактору

Коефіцієнт стисливості (число Амага) для газової суміші заданого складу при середніх температурах у відповідних каналах [2]:

Об’ємна витрата циркуляційного газу в каналах:

-      перший:

-      другий:

-      третій:

Для подальшого розрахунку діаметрів елементів насадки, попередньо приймаємо [2]:

-      зовнішній діаметр пускового електронагрівника, d1, м               0,135;

-        товщину стінки центральної труби,Sc, м                                    0,005;

         товщину стінки каталізаторної коробки,Sк, м                   0,01;

         швидкість газової суміші в каналах,W, м/с,                       10.

Знаходимо площу перерізу відповідного каналу:

-      першого fk1 = Uk1/W=1,246/10=0,125 м2;

-        другого fk2 = Uk2/W=1,821/10=0,182 м2;

         третьогоfk3 = Uk3/W=1,781/10=0,178 м2.

Розрахунковий внутрішній діаметр центральної трубки:

Зовнішній діаметр центральної трубки:

= D2 + 2 Sc=0,496+2 0,005=0,507 м.

Розрахунковий зовнішній діаметр каталізаторної коробки:

Висновок: в результаті розрахунків було визначено внутрішній діаметр колони.

.1.4 Розрахунок температурного режиму колони

Метою розрахунку - є визначення параметрів теплообміну в каналах колони. Розрахунок коефіцієнту тепловіддачі від зовнішньої поверхні колони в навколишнє середовище. Приймаємо температура зовнішньої поверхні стінки колони Tcт.6=186,5С, степінь чорноти  = 0,95.

Коефіцієнт тепловіддачі випромінюванням:

Критерій Грасгофа при вільній конвекції (при обдуванні колони вітром):

Розраховуємо значення критерію Прандтля:

Критерій Нусельта при поперечному обтіканні одинокої труби (при Gr Pr ≥2 107):

Розрахункова схема представлена на рисунку 4.5.

Рисунок 4.5 - Схема до розрахунку температурного режиму колони

Коефіцієнт теплопровідності конвекцією:

де S0- товщина стінки колони.

Коефіцієнт тепловіддачі від зовнішньої поверхні колони в навколишнє середовище:

Теплопередача та тепловіддача в елементах насадки. Уточнення температурного режиму.

Розраховуємо температуру газу на виході зі щілини між корпусом колони та каталізаторною коробкою.

Еквівалентний діаметр кільцевої щілини:

ек.5 = D1 - D7=2,6-2,557=0,0318 м.

Теплофізичні властивості циркуляційного газу за його середньої температури в першому каналі [14]:

-      теплопровідність, 5, Вт/мК 0,134;

-        динамічна вязкість,5, Пас 2,1110-5;

-      густина,5, кг/м377,00;

-        теплоємність с5,Дж/кгК3499.

Розраховуємо значення критерію Прандтля:

Розраховуємо значення критерію Рейнольдса:

Розраховуємо значення критерію Нусельта:

Коефіцієнт тепловіддачі від газової суміші до стінки внутрішньої частини стінки колони:

Коефіцієнт теплопередачі через стінку корпусу колони:

Орієнтовна площа бокової поверхні колони:= D9 Ha=3,142,577 23=186,11 м2.

Теплові втрати в оточуюче середовище через бокову поверхню колонивт1 = K56 FK (Tср.1 - Tн.с.)=22 186,11 (180-20)=660735,7 Вт

Два інші канали розраховуються за таким же алгоритмом.. Результати розрахунків зведені в таблицю (4.5)

Таблиця 4.5 - Результати розрахунків температурного режиму колони

З результатів розрахунку видно, що втрати в навколишнє середовище досить великі і на реакторі потрібно зробити ізоляцію.

.2 Розрахунок температурного режиму теплообмінника колони

Мета: визначити площу теплообміну та основні характеристики теплообмінника.

Вихідні дані:

Циркуляційний газ в трубному просторі:

Тиск, Р,МПа                                                                30;

Температура на вході,T21С                                                      530;

Температура на виході,T22,С                                          319;

Масова витрата, m, кг/с                                                                67,287;

Об’ємна витрата,Ugm,м3/с                                                  194,964;

Циркуляційний газ в міжтрубному просторі:

Тиск, Рm,МПа                                                                               30;

Температура на вході,T11,С                                                     187,5;

Температура на виході,T12,С                                                   470;

Масова витрата, m , кг/с                                                               89,716;

Об’ємна витрата,Ugm,м3/с                                                  173,348.

Розрахункова схема температурного режиму зображена на рисунку 4.6.

Рисунок 4.6 - Схема температурного режиму

Розрахунок проведений в програмі, методом послідовних ітерацій. Нище нведено останій розрахунок.

Визначаємо середнє арифметичне значення температурициркуляційного газу у між трубному просторі:

При знайдених значеннях температур теплоносіїв кількість теплоти яка потрібна для нагріву холодного теплоносія:

Середня логарифмічна різниця температур теплоносіїв:

Остаточні значення середніх температур теплоносіїв:

Об’ємні витрати теплоносіїв:

Приймаємо для теплообмінника труби із зовнішнім діаметром dz=0,012м та внутрішнім діаметром dv=0,009 м, із довжиноюLt=6 м, а також задаємося орієнтовним значенням коефіцієнту теплопередачі k=1699визначимо орієнтовне значення поверхні теплообміну:

Поверхня теплообміну однієї трубки:

Кількість трубок необхідних для здійснення теплообміну при даному значені коефіцієнту теплопередачі:

Визначаємо кількість трубок по стороні зовнішнього шестикутника:

Приймаємо a=25 шт.

Визначаємо діаметр трубного пучка:

За значенням Dtr приймаємо внутрішній діаметр корпуса Dv=0,86 м.

Густина циркуляційного газу у трубному просторі:

Швидкість течії теплоносія в трубному просторі:

Критерій Рейнольда для трубного простору:

Значення критерію Прандтля для трубного простору:

Значення критерію Нусельта для Re>10000

Коефіцієнт тепловіддачі в трубному просторі:

Прохідний переріз руху теплоносія в міжтрубному просторі:

Визначаємо кількість трубокв перерізі паралельно вісі апарату:

ПриймаємоNn=34 шт.

де Nn- кількість трубок в перерізі паралельному вісі апарату в кінці перегородки,tk=0,017м - крок мыж трубами і h = 0,4 м. - відстань між перегородками визначається конструктивно.

Густина циркуляційного газу у між трубному просторі:

Швидкість руху газу в міжтрубному перерізі:

Критерій Рейнольда для міжтрубного просторі:

Критерій Прандтля для міжтрубного просторі:

Значення критерію Нусельта для Re>10000:

Коефіцієнт тепловіддачі в міжтрубному просторі

Уточнене значення коефіцієнту теплопередачі:

де

де r1=1/11000 м2К/Вт таr2=1/11000 м2К/Вт - тепловапровідність забруднених стінок органічним газом.

Розраховуємо поверхню теплообміну: