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

Запас поверхні теплообміну:

Висновок: за результатами розрахунку ми отримали геометричні розміри апарату що проектується.

Довжина труб становитьLt=6 м, внутрішній діаметр апарата Dv=0,86 м, кількість теплообмінних трубок nтр=1925 шт., площа теплообміну F1=435,54 м2.

.3 Розрахунок поверхні теплообміну котла - утилізатора

Мета: визначити площу теплообміну та основні характеристики котла - утилізатора.

Вихідні дані:

Циркуляційний газ в трубному просторі:

Тиск, Р2, МПа                                                   30;

Температура на вході,T21, С                        319;

Температура на виході,T22, С                      215;

Масова витрата, m2,кг/с                                   89,716;

Об’ємна витрата,Ug, м3/с                                 173,348;

Коцентрація по аміаку на виході з колони, z2          0,16;

Вода в міжтрубному просторі:

Тиск, Р1,МПа                                                    8,6;

Температура на вході,T11, С                        110;

Температура на виході,T12,С,                      300.

Розрахункова схема представлена на рисунку 4.7

Рисунок 4.7 - Схема температурного режиму

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

Визначаємо середнє арифметичне значення температурициркуляційного газу у трубному просторі:

Приймаємо тепломність циркуляційного газу у трубному просторі c2=3532Дж/кг0С при середній арифметичній температурі

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

Середня логарифмічна різниця температур теплоносіїв:

Визначаємо середню температуру циркуляційного газу у міжтрубному просторі:

Приймамо тепломність циркуляційного газу у трубному просторі c1=4524 Дж/кг0С при середній арифметичній температурі

Визначаємо масову витрату води, яка потрібна для охолодження:

Об’ємні витрати теплоносіїв м3/с:

де

Прийнявши для теплообміннику трубки із зовнішнім діаметром dz=0,022м і внутрішнім діаметром dv=0,022м із довжиноюLt=11 м, а також задавшись діаметром внутрішньої труби d0=0,426м та внутрішнім діаметром апарата Dv=1,6м.

Визначаєм кількість трубок, яка помістилася б на місці внутрішньої труби:

де

де a=3 - необхідна кількість трубок для повного заповнення об'єму.

Визначамо кількість труб, яка помістилася б на місці внутрішньої труби:

де

Приймаємо a=8 шт[15].

Приймаємо b=14 шт[15].

Де

Визначаємо кількість труб на діагоналі, якщо заповнити повністю простір апарата:

Приймаємо b1=52шт[15].

Кількість труб на стороні:

Приймаємо a1=27 шт[15].

Загальна кількість труб, яка могла б поміститися при внутрішньому діаметрі апарата Dv=1,6м:

Визначаємо дійсну кількість труб, яка може помісттися:

Приймаємо із стандартного ряду N1=2263шт.

Визначаємо дійсну кількість трубок по стороні зовнішнього шестикутника:

Приймаємо a=28 шт[15].

За значенням Dtr приймаємо внутрішній діаметр апаратаDv = 1,7 м.

Визначаємо орієнтовне значення поверхні теплообміну:

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:

Критерій Рейнольдса у міжтрубного просторі:

Де de - еквівалентний діаметр:

де P=1,007м-периметр,F=162,69 м2- площа.

Швидкість руху газу в міжтрубному перерізі:

Критерій Рейнольда для міжтрубного просторі:

Значення критерію Нусельта для перехідного режиму:

Коефіцієнт тепловіддачі в міжтрубному просторі:

Уточнене значення коефіцієнту теплопередачі:

Де

де r1=1/1420 м2град/Вт - для води таr2=1/11000 м2град/Вт - теплова провідність забруднення стінки органічним газом.

Розраховуємо поверхню теплообміну:

Запас поверхні теплообміну:

Висновок: за результатами рахунку геометричні розміри апарату що проектується. Довжина труб становитьLt=11 м, внутрішній діаметр апарата Dv=1,7м, кількість теплообмінних трубокN1=2263шт., площа теплообмінуF1= 1722м2.

.4 Розрахунок виносного теплообмінника

.4.1 Розрахунок температурного режиму виносного теплообмінника

Метою розрахунку є визначення площі поверхні теплообміну та основних характеристик виносного теплообмінника.

Вихідні дані:

Продуктивність реактора,G, т/добу 1420;

Тиск газу в трубному та міжтрубному просторі, P, МПа 30;

Початкова температура гарячого газу,T2п, 0С (215);

Кінцева температура гарячого газу,T2к,0С (65);

Початкова температура холодного газу,T1п, 0С (35);

Масова витрата гарячого газу, m2, кг/с 89,176;

Масова витрата холодного газу,m1, кг/с 89,176;

Об’ємні витрати гарячого газу,U22, м3/с 173,348;

Об’ємні витрати холодного газу,U11, м3/с 194,964;

Коцетрація аміаку в трубному просторі,z2 0,031;

Коцетрація аміаку в міжтрубному просторі,z1 0,16.

Схема температурного розрахунку виносного теплообмінника зображена на рисунку 4.8. Схема руху циркуляційного газу зображена на рисунку 4.9.

Рисунок 4.8 - Схема температурного розрахунку виносного теплообмінника

- холодний циркуляційний газ; 2- гарячий циркуляційний газ

Рисунок 4.9-Принципова схема руху циркуляційного газу

Скористаємось алгоритмом, запропонованим авторами [4].

Приймаємо противотокову схему руху теплоносіїв. Холодний циркуляційний газ подаємо в міжтрубний простір, а гарячий циркуляційний газ у трубний простір.

Розрахунки проведені мовою програмування Qbasic.

Розрахунок проведено методом послідовних наближень. Нижче приведені результати останнього наближення.

Визначаємо середнє арифметичне значення температуригарячого циркуляційного газу:

Кількість теплоти, яку відає гарячий циркуляційний газ:

де с2 = - теплоємність гарячого теплоносія при середній температурі.

Визначаємо температуру холодного циркуляційного газу на виході:

Визначаємо середнє арифметичне значення температурихолдного циркуляційного газу:

Середній температурний напір ср визначаємо за формулою:

оскільки:

Визначаємо середнє значення температури холодного теплоносія:

Холодний теплоносій:

Визначимо кількість теплоти, яка потрібна для нагріву холодного теплоносія:

де с1 = 3468- теплоємність холодного теплоносія при середній температурі.

Перевіряємо умову теплового балансу:

Умова виконується.

Для проведення наступних розрахунків необхідно обрати теплообмінник, попередньо задавшись орієнтовним значенням коефіцієнту теплопередачі та параметрами труб. Приймаємо коефіцієнт теплопередачі рівним Кор=494 Вт/м2град.

Визначимо орієнтовне значення поверхні теплообміну:

Поверхня теплообміну однієї труби:

Кількість трубок необхідних для здійснення теплообміну при даному значенні коефіцієнта теплопередачі:

Приймамо nt=6115шт.

- кількість труб у шестикутнику[15].

Для визначення внутрішнього діаметра корпусу теплообмінника необхідно спочатку визначити параметри розташування труб у трубному пучку[15].

Кількість труб на стороні зовнішнього шестикутника:

Приймаємоа=42[15].

Діаметр трубного пучка:

Де tk = 1,4∙ dv = 1,4∙0,012 = 0,017 м.

де tk= 0,017м - крок між трубами[15].

Приймаємо внутрішній діаметр корпусу теплообмінника

Визначаємо інтенсивність теплообміну для трубного простору (подача гарячого теплоносія).

Відповідно до концентрації та середньої температури визначаємо теплофізичні властивості теплоносіїв згідно з наступними залежностями:

де z- вміст аміаку в азотоводневій суміші, t- середня температура теплоносія.

Теплоємність гарячого теплоносія при розраховано за залежністю (4.1):

В’язкість гарячого теплоносія розраховано за залежністю (4.2):

Теплопровідність гарячого теплоносія розраховано за залежністю (4.3):

Коефіцієнт Амага визначається за залежністю при середній температурі азотоводневої суміші та тиском:

де .

Об’ємна витрата гарячого теплоносія становить:

Густина гарячого теплоносія становить:

Швидкість течії теплоносія в трубному просторі:

Критерій Рейнольдса трубного простору:

Визначаємо критерій Прандтля для трубного простору:

Критерій Прантдля при температурі стінки труби:

оскіль для газів:

Значення критерію Нуссельта для розвиненого турбулентного режиму Re>10000:

.

Коефіцієнт тепловіддачі в трубному просторі:

Визначаємо інтенсивність теплообміну для міжтрубного простору (подача холодного теплоносія).

Відповідно до коцентрацції та середньої температури визначаємо теплофізичні властивості теплоносіїв згідно з наведеними вище залежностями (4.1), (4.2), (4.3).

Теплоємність холодного теплоносія розрахована за залежністю (4.1):

В’язкість холодного теплоносія при розрахована за залежністю (4.2):