Конструктивные расчеты основного аппарата.

В данном разделе производится расчет теплообменника, служащего для подогрева свежей газовой смеси, поступающей на синтез аммиака. Он располагается между второй и третьей катализаторной полкой.

Примем количество трубок равное 400, наружный диаметр 19 мм, толщину 2 мм (реальные размеры теплообменника, заказанного для производства).

Производительность колонны равна 1600 т./сут. или

1600*10³/(17*22,4*4,91) = 800 нм³/ч.

По межтрубному пространству проходит газ, идущий со второй полки,

а по трубам свежий газ.

Рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле: Re = u*d/ν,

где u – линейная скорость газа, м/с;

d – внешний диаметр трубок, м

ν – коэффициент вязкости, кг/(м*с).

u = V/F,

Где V – объемный расход газа, м³/с;

F – площадь проходного сечения, м².

F_м/т = π/4 * (D_Н² – D_вн²) – π/4 * d_н² * h_т

F_м/т = 3.14/4 * (0.78² – 0.33²) – 3.14/4 * 0.019²*400 = 0.28 м²

F_т = π/4 * d_вн² * 400

F_т = 3,14/4*(0,019-0,002*2)² * 400 = 0,069 м²

Расчет средней температуры нагрева свежего газа и охлаждения газа после второй полки в теплообменнике.

Рис 3.3. Зависимость температуры от длины теплообменника.

t_ср.т. = 240/ln(370/130) = 229.45 ^оС

t_ср.м/т. = 70/ln(440/370) = 403.99 ^оС

Рассчитаем фактор нормальных условий.

f_ну.т = 25*273/(0,1*(273+229,45)) = 135,1

f_ну.м/т = 25*273/(0,1*(273+403,99)) = 100,8

Рассчитаем мольные объемы.

V_м/т = 22,4/100,8 = 0,222 м³/кмоль

V_т = 22,4/135,1 = 0,1658 м³/кмоль

Вязкость μ _т = 2265*10^-8Па*с

μ _м/т = 2965*10^-8Па*с

Рассчитаем скорости движения газов:

υ_т = 3,98*0,1658 = 0,66 м³/с

υ_м/т = 9,13*0,222 = 2,03 м³/с

 

Рассчитаем линейные скорости газов.

u_т = 0,66/0,069 = 9,56 м/с

u_м/т = 2,03/0,28 = 7,25 м/с

Рассчитаем

ν_т = μ _т / ρ_т

ρ_т = f_ну.т / 22,4 * ∑M_i * N_i ,

где ∑M_i * N_i – средняя молярная масса смеси.

ρ_т = 100,8/22,4*10,779 = 48,5 кг/м³

ρ_м/т = 135,1/22,4*11,662 = 70,3 кг/м³

ν_т = 2265*10^-8 / 48,5 = 0,047*10^-5

ν_м/т = 2965*10^-8 / 70,3 = 0,042*10^-5

Рассчитаем критерий Рейнольдса.

Re_т = 9,56*0,016/(0,047*10^-5) = 3,25*10⁵

Re_м/т = 7,25*0,019/(4,2*10^-7) = 3,3*10⁵

Рассчитаем критерий Прандтля.

Pr = cν/λ,

где Ср – удельная теплоемкость, Дж/м³*К;

Ср_м/т = 193*10³Дж/(м³*К)

Ср_т = 139,1*10³ Дж/(м³*К)

λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К).

λ_т = 0,1358 Вт/(м*К).

λ_м/т = 0,1828 Вт/(м*К).

Pr_т = 139,1*10³ * 0,047*10^-5 / 0,1358 = 0,44

Pr_м/т = 193*10³*0,042*10^-5/0,1828 = 0,48

Рассчитаем критерий Нуссельта [11].

Nu = 0.037*Re^0.75 * Pr^0.4 – для трубного пространства

Nu_м/т = 0,4*ε_φ*Re^0.6*Pr^0.36 – для межтрубного(φ = 30,=>ε = 0,67)

Nu_т = 0,037*(3,25*10⁵)^0,75 * 0,44^0,4 = 362,65

Nu_м/т =0.4*0,67*(3,3*10⁵)^0,6*0,48^0,4 = 409,01

Рассчитаем коэффициент теплопередачи.

α = Nu*λ/d

α_т = 362,65*0,1358/0,016 = 3078,05

α_м/т = 409,01*0,1828/52,5 = 3845,46

k = 1/(1/ α_т + δ/λ + 1/ α_м/т)

k = 1/(1/3078.05+0.00211/17.5+1/3845) = 1417 Вт/(м²*K)

Рассчитаем количество передаваемого тепла в данном теплообменнике..

ΔQ = (440 – 370) * ∑Cp_i*n_i

ΔQ = (440-370)* 1317.26*10³ = 20490709 Дж/с

ΔQ = K_т*F*Δt

Рассчитаем среднюю температуру:

Δt = (240+70)/ln(240/70) = 137 ^оС

Тогда необходимая площадь теплообмена будет равна:

F = ΔQ / (K_т*Δt)

F = 20490709/(1417*137) = 105.5 м²

Рассчитаем длину труб:

L = F/(π*d_н*n_тр)

L = 105.5/(3.14*0.019*400) = 4.4 м.

Из длины труб видно, что теплообменник рассчитан правильно, он удовлетворяет условиям ведения процесса и конструкции колонны синтеза аммиака.

		4 АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ
		Таблица 4.1
Hаименование стадий процесса,место отбора проб	Контролируе-мый параметр	Нормы и технические показатели	Метод испытания и средство контроля
Q-612 Трубопровод танковых газов,выходящих из сепаратора танковых газов 614	Объёмная доля		Титриметрически, шифр МВИ
NH3	не более 6,4%	О-А1,2-09-99-А-11, δ =±11%
Q-613 Трубопровод смеси танковых и продувочных газов, поступающих на сжигание в трубчатую печь	Объёмная доля		Титриметрически, шифр МВИ
NH3	не более 2,6%	О-А1,2-09-99-А-11, δ =±11%
Q-614 Дымовая труба пускового подогревателя	Объёмные доли:		Хроматографически,
Н2	не более 0,02%	МВИ шифр Х-А1,2-05-03-А-5
СО	не более 0,02%	δ = ± 24%(H2), δ =±25% (CH4),
СН4	не более 0,02%	δ = ± 18%(CO)
Q-615 Трубопровод продувочных газов перед пусковым подогревателем 607	Объёмные доли:
(в азоте)		Хроматографически,
О2	не более 0,002%	МВИ шифр Х-А1,2-10-03-А-17, δ =±25% (О2)
Горючие		МВИ шифр Х-А1,2-05-03-А-5
Н2	не более 0,02%	δ = ± 24%(H2)
СО	не более 0,02%	δ = ± 18%(CO)
		СН4	не более 0,02%	δ =±25% (CH4)
Q-616-1 Трубопровод циркуляционного газа после колонны синтеза	Массовая доля
Н2О	не более 0,3%	Гравиметрически, шифр МВИ
		В-А1,2-04-03-А-4, δ = ± 22%
Q-616-2 Трубопровод циркуляционного газа после колонны синтеза 601 (после подогревателя воды)	Объёмные доли:		Титриметрически, шифр МВИ
NH3	0-16,5%	О-А1,2-09-99-А-11, δ =±11%
		Хроматографически
Н2+N2	98 - 65%	МВИ шифр Х-А1,2-11-97-А-13
СН4	1 - 13,5%	(N2) δ=±(6,5+4,5/х)%; (CH4) δ =±(5,8+1,3/х)%
		Ar	0,3 - 5%	( Ar) δ=±( 20 +0,04/х )%;
Q-617-1 Трубопровод циркуляционного газа до колонны синтеза (после конденсационной колонны)	Объёмные доли:
NH3	0 - 4,7%	Титриметрически, шифр МВИ
		О-А1,2-09-99-А-11, δ =±11%
Н2+N2	98,7-77%	Хроматографически,
СН4	1 - 13,0%	МВИ шифр Х-А1,2-11-97-А-13
		Ar	0,3 - 5%	(N2) δ=±(6,5+4,5/х)%; (CH4) δ =±(5,8+1,3/х)%
				(Ar)δ=±( 20 +0,04/х )%;
Q-617-2 Трубопровод циркуляционного газа до колонны синтеза (после конденсационной колонны)	Массовая доля
Н2О	не более 0,3%	Гравиметрически, шифр МВИ
		В-А1,2-04-03-А-4, δ = ± 22%
Q-618 Трубопровод аммиачной воды	Массовая доля
NH3	0 - 99,6%	Титриметрически (0 до 35% NH3)
		Методика № 49*, δ=±5%
		Свыше 35% NH3 по ГОСТ6221-90
Q-620 Трубопровод жидкого аммиака ,поступающего из АХУ в испаритель 606
Массовая доля
Н2О	0,1 - 0,4%	По ГОСТ 6221 - 90
Q-621 Трубопровод жидкого аммиака поступающего из АХУ в испарители 612,613	Массовая доля
Н2О	0,1 - 0,4%	По ГОСТ 6221 - 90
Q-622 Трубопровод флегмы выходящей из испарителя 606	Массовая доля:
NН3	99,9 - 90%	По ГОСТ 6221 - 90
Н2О	0,1 - 10%
Q-623(1,2) Трубопровод флегмы, выходящей из испарителей 612,613	Массовая доля:
NН3	99,9 - 90%	По ГОСТ 6221 - 90
Н2О	0,1 - 10%
Q-624 Трубопровод выдачи жидкого аммиака из сепаратора 626 в 616	Объемная доля Н2О	не более 0,4%
Массовая концентрация:		По ГОСТ 6221 - 90
Fе	не более 1мг/дм3
		Масла	не более 2мг/дм3
Q-610 (1-5), Q-611 (1-4) Трубопроводы продувочных газов из агрегата синтеза	Объёмные доли:		Хроматографически,
Н2	не более 0,02%	МВИ шифр Х-А1,2-05-03-А-5
СН4	не более 0,02%	δ = ± 24%(H2), δ =±25% (CH4),
О2	не более 0,002%	МВИ шифр Х-А1,2-10-03-А-17, δ =±25% (О2)
		Массовая концентрация:
		NH3	не более 20 мг/дм3	Фотоколориметричес- ки, МВИ
				шифр Ф-Р-09-03-А-15, δ =±13%