Расчет поверхности горячего теплообменника

После парового котла основной газ проходит горячий теплообменник и, охлаждаясь с 190°С до 60°С, нагревает газ, поступающий в колонну синтеза после компрессора, до 170°С.

Температурный режим в горячем теплообменнике:

190 60 Dt_м=20

170 28 Dt_б=32

Количество тепла, отдаваемое циркуляционному газу в теплообменнике, равно

Q = 10440,91(190×42,96-60×37,04) = 72117302 кДж = 72117302/3,6 =

= 20032583 Вт,

где 10440,91 - количество газовом смеси, кмоль; 190 и 60 - температура входа и выхода основного газа, °С; 37,04 - теплоемкость газовой смеси при 60°С, кДж/(кмоль×°С); 42,96 - теплоемкость газовой смеси при 190°С, кДж/(кмоль×°С).

Теплоемкость газовой смеси можно определить, зная теплоемкости компонентов и температуру, рассчитаем С_р при 60°С

;

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

Средняя разность температур:

Dt_ср= °С.

Газ проходит по трубкам диаметром 10´1 мм, число трубок 3105, диаметр корпуса 1064´50 мм, поверхность теплообменника 910 м². Определяем коэффициент теплоотдачи от горячего газа к стенкам трубок по формуле.

Критерий Рейнольдса:

, (36)

где - скорость газовой смеси в трубках.

Средняя температура газа, проходящего по трубкам:

°С

Объем газа при t_ср= 125°С и Р = 33,16×10⁶ Па (338 ат) составляет:

v³,

где 1,5153 - коэффициент сжимаемости газовой смеси при данных условиях.

Скорость газовой смеси в трубках

м/с,

здесь 0,008 - внутренний диаметр газовой трубы, м; 3205 - количество трубок.

Плотность газовой смеси

кг/м³,

где 137301,05 - масса газовой смеси, поступающей в котел-утилизатор, кг.

Вязкость газовой смеси при t_ср=125°С равна m=26,19×10^-6 Н×с/м².

Теплопроводность смеси при этих же условиях l=175,7×10^-3 Вт/(м×°С).

Определяем теперь критерий Рейнольдса:

.

Теплоемкость газовой смеси С_р125 можно рассчитать, суммируя теплоемкости компонентов:

;

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

Теплоемкость 1 кг газовой смеси равна:

С_р=41,25/11,35=3,63 кДж/(кг×°С).

Критерий Прандтля:

.

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023×72440^0,8×0,541^0,4=138,99.

Коэффициент теплоотдачи в трубках

Вт/(м²×°С).

Определим коэффициент теплоотдачи в межтрубном пространстве:

(37)

; .

Средняя температура газа

°С

Объем газа при Р = 350 ат (34,32×10⁶ Па) и 99°С составляет:

v³,

где 1,584 - коэффициент сжимаемости газовой смеси при данных условиях.

Плотность газа

кг/м³,

Площадь поперечного сечения межтрубного пространства:

м².

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

м.

Скорость газовой смеси в межтрубном пространстве:

м/с,

Вязкость газовой смеси в межтрубном пространстве

m=18,74×10^-6 Н×с/м².

Теплопроводность смеси l=191×10^-3 Вт/(м×°С).

Определяем теперь критерий Рейнольдса:

.

Теплоемкость газовой смеси С_р99 (350 ат):

;

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

Теплоемкость 1 кг газовой смеси равна:

С_р=34,195/10,1=3,38 кДж/(кг×°С) (10,1 – масса одного моля газовой смеси).

Критерий Прандтля:

.

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023×78565^0,8×0,33^0,4=121,7.

Коэффициент теплоотдачи в трубках

Вт/(м²×°С).

Коэффициент теплопередачи:

Вт/(м²×°С).

где 0,001 -толщина стенки трубки, м; 0,00017 — термическое сопротивление загрязнений стенок, Вт/(м²×°С).

Необходимая поверхность теплообмена в теплообменнике равна:

м²,

Запас поверхности равен:

%.

где 910 – принятая поверхность теплообмена, м²

Водяной конденсатор

Температурный режим в водяном конденсаторе

60 30

35 25

Температура начала конденсации NH₃ определяется из уравнения:

,

где 335 - давление в ат, соответствующее 32,86×10⁶ Па.

Температуру конденсации NH₃ из газовой смеси принимаем равной средней температуре между температурами начала и конца конденсации

°С

Уравнение теплового баланса зоны конденсации и охлаждения

Q_конд = i₆₀-i₃₀+Q_{конд 43,2} – Q_{ж 30},

где i₆₀ – энтальпия газовой смеси при 60°С и 32,86×10⁶ Па; i₃₀ – энтальпия газовой смеси при 30°С и 32,86×10⁶ Па; Q_{конд 43,2} – тепло конденсации аммиака (при 43,2°С и 32,86×10⁶ Па равно 1086,18 кДж/кг); Q_{ж 30} – тепло жидкого аммиака (при 30°С и 32,86×10⁶ Па равно 141,68 кДж/кг).

Рассчитаем теплоемкость газовой смеси С_р30 и 32,86×10⁶ Па (:

;

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

Q_конд = 10440,91×37,04×60-10841,31×36,01×30+21071,46×0,771(1086,18-141,68) = 30646324 кДж = 8512867,7 Вт.

где 0,771 - плотность газообразного NH₃ при нормальных условиях, кг/м³; 10440,91 - количество газа, поступившего в водяной конденсатор, кмоль; 10841,31 - количество газа, ушедшего из водяного конденсатора, кмоль; 21071,46 - количество сконденсировавшегося NH₃, м³.

Расчет азотной кислоты HNO₃, стр 220-253 (Атрощенко)

РАСЧЕТ УСТАНОВКИ ДЛЯ ПРОИЗВОДСТВА HNO₃ СРЕДНЕЙ КОНЦЕНТРАЦИИ

Технология производства HNО₃ состоит из двух стадий. Первая стадия связана с процессом окисления NH₃ до NO по реакции

4NH₃ + 5О₂ = 4NO + 6Н₂О + 908000 Дж. (38)

Вторая стадия производства HNO3 средней концентрации связана с процессом окисления NО и абсорбции полученного N₂ водой с получением HNO₃

2NO + О₂ = 2NО₂ + 124 кДж, (39)

3NО₂ + Н₂О =2HNО₃ + NО+ 136,2 кДж. (40)

Суммарная реакция образования HNО₃ из NH₃ без учета побочных может быть представлена уравнением

NH₃ + 2О₂ = HNO₃ + Н₂О. (41)

Для расчета установки получения НNО₃ средней концентрации примем схему, приведенную на рис. 4.

Тщательно очищенный от пыли и катализаторных ядов воздух сжимается в турбокомпрессорах К₁ и К₂ до 8×10⁵ Па. Затем большая часть воздуха после турбокомпрессора К₂ с температурой около 150°С поступает в теплообменник 1, где подогревается до 350°С и направляется в смеситель 2. Сюда же поступает предварительно очищенный газообразный перегретый NH₃, полученный в испарителе 3 и в перегревателе 4.

Воздушноаммиачная смесь проходит фильтр 5 и подвергается катализу в контактном аппарате 6.

Полученные нитрозные газы проходят параллельно работающие теплообменники 7 и 8, затем 1 и далее теплообменник 9, в которых снимается тепло реакции окисления NH₃.

Рис. 4. Схема установки дли производства азотной кислоты средней концентрации под комбинированным давлением 0,8-1,6 МПа.

В скоростном холодильнике 10 происходит охлаждение, частичное окисление NО, конденсация паров воды и образование HNО₃. Полученный конденсат отделяется в сепараторе 11. Далее к охлажденным нитрозным газам вводится добавочный воздух, отбираемый после турбокомпрессора К₂ и охлажденный в холодильнике 12.

Затем нитрозные газы досжимаются в турбокомпрессоре К₃ до 16×10⁵ Па, проходят холодильник-конденсатор 13 и после сепаратора 14 поступают в абсорбционную колонну 15. В нее же поступает газ из сепаратора и конденсат НNO₃. На верхние тарелки поступает конденсат HNO₃ из сепаратора 11, предварительно сжатый в компрессоре 16 до 16×10⁵ Па.

В абсорбционную колонну 15 подается с помощью насоса 17 очищенная вода. HNО₃ из низа абсорбционной колонны 15, содержащая растворенные оксиды азота, поступает в отбелочную колонну 18. Здесь продукционная кислота нагревается при низком давлении, и через нее продувают воздух, т. е. происходит отбелка. Для продувки кислоты подается воздух после турбокомпрессора К₂. Отдувочные газы проходят холодильник 19, турбокомпрессор К₄ и после сжатия до 16×10⁵ Па присоединяются к основному потоку нитрозных газов, поступающих в абсорбционную колонну 15. Продувочные газы можно присоединять непосредственно к нитрозным газам перед турбокомпрессором К₃.

Выхлопные нитрозные газы после абсорбционном колонны 15 подогреваются в теплообменниках 9 и затем 7 и расширяются в газовой турбине Т₁ до 8×10⁵ Па. Затем подогреваются в теплообменнике 8 и расширяются в турбине Т₂ почти до атмосферного давления. Выхлопные газы оставшееся тепло отдают в паровом котле 20 и выбрасываются в атмосферу.