Расход тепла в колонне синтеза
Потери тепла в окружающую среду принимаем 1,25% от общего прихода тепла в колоний, тогда количество тепла па выходе из колонны составляет:
Qвых = Qпр×0,9875 = 162065471×0,9875 = 160034653 кДж.
Температура газовой смеси на выходе из колонны синтеза:
°С.
где 10440,91 - количество газовой смеси на выходе из колонны, кмоль/ч; 34,69 — теплоемкость газовой смеси на выходе из колонны, кДж/(кмоль×°С).
Теплоемкость газовой смеси при 380°С рассчитывается подобно (теплоемкости при 170°С):
;
;
;
;
кДж/(кмоль×°С).
Перепад давления по системе
Давление в системе синтеза NН3 изменяется от 34,32×106 (350) до 31,87×106 Па (325 ат) за счет сопротивления прохождения газа по системе, а также конденсации газообразного NН3.
Ввиду незначительного изменения давления на участках колонны синтеза, парового котла-утилизатора, горячего теплообменника с некоторой погрешностью принимаем давление 34,32×106 Па, и водяном теплообменнике — 32,85×106 Па (335 ат), в холодном теплообменнике — 32,55×106 Па (332 ат), а после межтрубного пространства холодного теплообменника — 31,87×106 Па (325 ат). С этим давлением газ поступает на компримирование до давления 34,32×106 Па.
Расчет котла-утилизатора
Паровой котел-утилизатор служит для охлаждения циркуляционного газа, выходящего из колонны синтеза NH3, и получения пара. Котел горизонтальный, газотрубный, состоит из четырех параллельных вертикально расположенных секций-испарителеи с экономайзерами и паросборника над секциями (рис. 29).
В трубном пространстве находится азотоводородоаммиачная смесь, в межтрубном пространстве и паросборнике — вода и пар. Давление в трубном пространстве 34,33×106 Па (350 ат), в межтрубном пространстве и паросборнике 3,97106 Па (40,55 ат). Температура в трубном пространстве 380°С, а в межтрубном пространстве и паросборнике 250°С.
Размеры паросборника и экономайзера:
| Паросборник | Экономайзер | |
| Длина, мм Внутренний диаметр, мм Толщина стенки, мм Объем паросборника, м3 Толщина трубки, мм Длина U-образных трубок (средняя) Количество трубок в секции | 9,6 - - - | - 30×4,5 |
Поверхность теплообмена одной секции, включающей экономайзер и испаритель, составляет 63,5 м2.
Газ с температурой 380°С поступает и котел-утилизатор, где охлаждается до 190°С. За счет отдачи тепла питательная вода, поступающая в котел с температурой 100°С, превращается в пар с давлением 3,97×106 Па (40,55 ат) и температурой 250°С.
Количество тепла, идущее на образование пара:
Q = 10440,91×(380×34,69-190×42,96) = 60945191 кДж/ч = 16929219 Вт,
где 380, 190 – температуры газа на входе и выходе из котла, °С; 34,69 и 42,96 – теплоемкости газовой смеси на входе и выходе из котла, кДж/(кмоль×°С).
Примем, что теплопотери составляют 5% от количества тепла:
60945191×0,05 = 3047259,5 кДж/ч = 846460,95 Вт.
Количество тепла, идущее на получение пара:
60945191×0,95 = 57891935 кДж/ч = 16082759 Вт.
Определяем количество пара G:
кг/ч = 24,414 т/ч.
Здесь 2790,2 - энтальпия водяного пара при 3,97×106 Па (40,55 ат) и 250°С, кДж/кг; =418,7 - энтальпия воды при 100°С, кДж/кг. Количество воды, поступающее на питание парового котла, соответствует количеству пара.
Определение поверхности теплообмена котла-утилизатора
Объем газа, проходящего по трубкам при Р = 34,33×106 Па (350 ат) и средней температуре
°С
За 1 ч составляет:
м3,
где 271957,5 - количество газовой смеси на входе в котел-утилизатор, м3; 2,253 - коэффициент сжимаемости смеси при данных условиях.
Скорость газовой смеси в трубках
м/с,
0,021 - внутренний диаметр газовой трубы, м; 4 — число секций, 24 - число трубок в секции.
Плотность газовой смеси:
кг/м3,
где 137301,05 - масса газовой смеси, поступающей в котел-утилизатор, кг.
Вязкость газовой смеси при Р = 34,33×106 Па и tср=285°С равна m=22,81×10-6 Н×с/м2.
Теплопроводность смеси при этих же условиях l=137×10-3 Вт/(м×°С).
Теплоемкость газовой смеси Ср285 можно рассчитать, суммируя теплоемкости компонентов:
;
;
;
;
;
кДж/(кмоль×°С).
Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке трубы
(31)
Критерий Нуссельта:
Nu = 0,023×Re0,8×Pr0,4. (32)
Критерий Рейнольдса:
. (33)
Критерий Прандтля:
. (34)
Nu = 0,023×10676900,8×0,5730,4=1226,47.
Теплоемкость 1 кг газовой смеси равна:
Ср=39,0/11,35=3,44 кДж/(кг×°С).
Коэффициент теплоотдачи в трубках
Вт/(м2×°С).
Средняя температура воды на линии насыщения
°С
Средняя разность температур в котле-утилизаторе:
380 190
250 100
Dtб=130 Dtм=90
Dtср= °С.
Коэффициенты теплоотдачи для испарительной и экономайзерной зон в межтрубном пространстве по практическим данным соответственно равны a2и = 12400 Вт/(м2×°С) и a2э =5700 Вт/(м2×°С).
При этом общие коэффициенты теплопередачи составляют,
для испарителя
Вт/(м2×°С).
для экономайзера
Вт/(м2×°С).
Для расчета принимаем среднее значение общего коэффициента теплопередачи, равное 729,8 Вт/(м2×°С).
Необходимая поверхность теплообмена в котле-утилизаторе равна:
м2, (35)
где 110 - средняя разность температур в котле-утилизаторе, °С. В принятом котле-утилизаторе поверхность теплообмена составляет 254 м2.
Запас поверхности равен:
%.