Практическая работа №10

Тема: Расчет тепловых балансов теплообменника колонны синтеза аммиака и холодильника первичной конденсации.

Цель: Рассчитать тепловые балансы теплообменника колонны синтеза аммиака и холодильника первичной конденсации.

Теоретические основы

     Колонна синтеза аммиака состоит из корпуса высокого давления и вмонтированной в нем насадки, заполненной катализатором. В большинстве колонн имеются внутренние (встроенные) теплообменники. В ряде случаев в колонну синтеза помещают паровые котлы или устройства для отвода тепла посторонним теплоносителем.

     При первичной конденсации наиболее распространенной конструкцией водяного конденсатора, применяемого  в агрегатах средней мощности, является секционный конденсатор типа труба в трубе. Основным недостатком конденсаторов этого типа являются высокое гидравлическое сопротивление и большая металлоемкость. В связи с этим они заменяются на спиральные водяные конденсаторы. Аппарат этого типа состоит из пучка согнутых в спирали труб высокого давления, которые помещены в стальной цилиндрический кожух.

     В агрегатах большой мощности в качестве аппарата первой ступени конденсации аммиака получили распространение воздушные холодильники, объединенные в блоки.

Задание

     Рассчитать тепловые балансы теплообменника колонны синтеза аммиака и холодильника первичной конденсации. Варианты заданий те же, что и при выполнении практической работы №9.

Порядок выполнения работы

I Расчет тепловых потоков в колонне синтеза (катализаторной коробке и теплообменнике).

Исходные данные:

• · Количество газовой смеси, поступающей в колонну синтеза из сепаратора вторичной конденсации V₁, нм³/с (см. сводную таблицу материальных потоков цикла синтеза).
• · Температура этой смеси:

при входе в кольцевое пространство колонны (из сепаратора вторичной конденсации) t₁      ………………………………………………………………………. 0⁰С;

при входе в теплообменник (из кольцевого пространства) t₂ ……………....30⁰С.

• · Количество газовой смеси, поступающей в трубки теплообменника из катализаторной коробки V₂, нм³/с (см. сводную таблицу материальных потоков цикла синтеза).
• · Температура смеси t_см  ……………………………………………….500⁰С.
• · Температура газа, поступающего в зону контактной массы катализаторной коробки t _газа …………………………………………400⁰С.
• · Количество аммиака, образовавшегося в колонне синтеза (см. сводную таблицу материальных потоков цикла синтеза)

V_{NH3 в к. с} = V+ V + NH_3(прод.), нм³/ч или

                   (V+ V + NH_3(прод.))× 10³

V_{NH3 в к. с} = ───────────────────────, моль/с.

                                  22,4 × 3600

• · Теплопотери колонны синтеза ……………………………………..10%

     Расчет теплового баланса ведем по варианту с отводом тепла из контактной массы путем ее охлаждения водой или путем пуска свежей «холодной» азото-водородной смеси в теплообменные трубки, расположенные в контактной массе  катализаторной коробки.

1.1 Приход тепла в колонну синтеза за счет газовой смеси, поступающей из сепаратора вторичной конденсации, равен 0, так как температура смеси по условию равна 0⁰С

q₁= 0

1.2  Приход тепла в колонну синтеза за счет теплоты реакции синтеза q₂.

     Определяем теплоту реакции синтеза по уравнению, Дж/моль

q = [ 9840 + ( 2,4×10 ^-3 + + )× Р + 2,24×Т + 10,57×10 ^-4Т² + 0,17×10 ^-6Т³] × 4,1868

Р =30000кн/м²и 500⁰С (Т = 773⁰К).

     Получено аммиака при синтезе V_{NH3 в к. с} моль/с.  Отсюда находим q₂,

Вт (Дж/с):

q₂ = V_{NH3 в к. с} × q 

     Таким образом, общий приход тепла в колонну синтеза составит Вт (Дж/с)

Q_{прихода} = q₁ + q₂

1.3 q₃ – тепловой поток  газовой смеси на выходе из теплообменника, Вт.

1.4 Теплопотери q₄ по условию составляют 10% прихода. Отсюда

Q₄ = 0,10 × Q_{прихода}

1.5 q₅ – тепловой поток, входящий в зону катализатора.

1.6 Количество тепла q₆, которое несет с собой газовая смесь (при t₂ =30⁰С), поступающая из кольцевого пространства колонны в межтрубное пространство теплообменника (состав и количество теплоносителей газовой смеси см. материальный баланс колонны синтеза, приход в нм³/с),

Вт (Дж/с):

q = × ,

где i_NH3 - теплосодержание NH₃, кДж/кмоль (i_NH3 = 3620 кДж/кмоль).

q = × ,

где i_(CH4+Ar) - теплосодержание (СН₄ + Ar), кДж/кмоль (i_(CH4+Ar) = 3660 кДж/кмоль).

q= ×  ,

где i_H2 - теплосодержание водорода, кДж/кмоль (i_H2 = 2900 кДж/кмоль).

q= × ,

где i_N2 - теплосодержание азота, кДж/кмоль (i_N2 = 2870 кДж/кмоль).

q₆ = q + q + q + q

1.7 Количество тепла q₇, которое несет с собой газовая смесь

(при t_см =500⁰С), поступающая в трубки теплообменника (состав и количество ее компонентов см. материальный баланс колонны синтеза, расход в нм³/с), Вт (Дж/с):

q = ×,

где - теплосодержание NH₃, кДж/кмоль при t_см =500⁰С

(= 21170 кДж/кмоль).

q= × ,

где - теплосодержание (СН₄ + Ar), кДж/кмоль при t_см =500⁰С

(= 24180 кДж/кмоль).

q = × ,

где - теплосодержание Н₂, кДж/кмоль при кДж/кмоль при t_см =500⁰С

( = 14650 кДж/кмоль).

q= × ,

где - теплосодержание N₂, кДж/кмоль при t_см =500⁰С (=14980 кДж/кмоль).

q₇ = q+ q+ q+ q

1.8 Определение теплового потока q₅, входящего в зону катализатора. Температура теплоносителя этого потока 400⁰С (состав и количество теплоносителей газовой смеси см. материальный баланс колонны синтеза, приход в нм³/с), Вт (Дж/с):

q= ×                             (= 16340 кДж/кмоль)

q= ×                (= 18200 кДж/кмоль)

q =  ×                                ( = 11670 кДж/кмоль)

q= ×                                  ( = 11820 кДж/кмоль)

q₅  = q + q + q + q

1.9 Газовая смесь должна получить тепла в теплообменнике q₈, Вт (Дж/с):

q₈ = q₅ – q₆

Это количество тепла должно быть передано газовой смесью, поступающей в теплообменник из катализаторной коробки, тепловой поток этой смеси q₇, Вт.

1.10 Тепловой поток газовой смеси на выходе из теплообменника q₃ составляет (с учетом теплоотдачи в кольцевое пространство q),Вт:

q₃ = q₇ - q₈ - q

q= 0,05×( q₆ + q₄)

1.11 Определяем температуру газового потока t _г.п на выходе из теплообменника (поступающего в холодильник первичной конденсации).

Объем газовой смеси нм³/с (состав и количество ее компонентов см. материальный баланс колонны синтеза, расход в нм³/с). Подсчет ведем методом интерполяции по теплосодержанию. Примем t = 100⁰С и 200⁰С.

Тогда имеем в Вт:

q = ×

- теплосодержание аммиака при 100⁰С (= 3620 кДж/кмоль)

q=  ×

- теплосодержание водорода при 100⁰С ( = 2900 кДж/кмоль)

q= ×

- теплосодержание азота при 100⁰С ( = 2870 кДж/кмоль)

q = ×

- теплосодержание (СН₄ + Ar) при 100⁰С (= 3660 кДж/кмоль)

q = q + q+ q+ q

q= ×

 - теплосодержание аммиака при 200⁰С (= 7560 кДж/кмоль)

q= ×

- теплосодержание водорода при 200⁰С ( = 5820 кДж/кмоль)

q= ×

 - теплосодержание азота при 200⁰С ( = 5800 кДж/кмоль)

q= ×

- теплосодержание (СН₄ + Ar) при 200⁰С (= 7940 кДж/кмоль)

q= q + q + q+ q

Отсюда находим в Вт:

∆q= q₃ - q

∆q= q- q

         ∆q

∆t = ────

        ∆q

t _г.п = 100 + ∆t

1.11 Баланс тепловых потоков в катализаторной коробке.

Приход тепла в катализаторной коробке, Вт

Q= q₅ + q₂

Часть тепла из катализаторной коробки передается газу, проходящему через кольцевое пространство колонны. Количество этого тепла будет, Вт:

q= 0,95 × (q₆ + q₄ )

Отсюда избыток тепла в количестве

q= Q - q₇ - q, Вт

должен быть удален из катализаторной коробки путем ее охлаждения. Снятие этого избытка производится вводом непосредственно в катализаторную коробку (минуя теплообменник) свежей («холодной») азото-водородной смеси или же путем охлаждения контактной массы водой.

1.12 Определяем длину трубок теплообменника. Примем: коэффициент теплопередачи в межтрубном пространстве (от наружных стенок трубок теплообменника газовому потоку) α₁= 3940 Вт/м²× град, а в трубках теплообменника (от газового потока внутренних стенок трубок теплообменника) α₂= 5475 Вт/м²× град; d_вн = 0,006м, d_нар = 0,009м;

l = 0,058 Вт/м×град;

          d_нар - d_вн

т = ───────, м.

               2

Тогда общий коэффициент теплопередачи определится по уравнению, Вт/м×град:

                           3,14

k = ────────────────────

      +  +   × lg

Отсюда необходимая длина трубок (L) теплообменника составит, м

Q

L = ───── ,

     k×∆t_ср×

где Q = q₈ – количество передаваемого тепла через трубки теплообменника,

Вт;

k – общий коэффициент теплопередачи (49 Вт/м×град);

 ∆t_ср  - средняя разность температур газовых потоков на концах трубок теплообменника, которая определится (см. исходные данные)

           (t_см  - t _газа) + (t _г.п - t₂)

∆t_ср  = ─────────────;

                         2

t - время теплопередачи (1сек).

II Тепловой расчет холодильника первичной конденсации.

Исходные данные:

• · Количество газовой смеси на входе в холодильник (см. материальный баланс первичной конденсации)  V= нм³/сек
• · Температура газа на входе в холодильник t₁ ……………………….131⁰С
• · Температура газа на выходе из холодильника t₂ ………………….. 40⁰С
• · Температура охлаждающей воды на входе в холодильник t₃……...23⁰С
• · Температура охлаждающей воды на выходе из холодильника t₄….35⁰С
• · Количество аммиака, сконденсированного в холодильнике (см. таблицу материального баланса первичной конденсации) G = кг/с
• · Скрытая теплота конденсации аммиака Q……………………..1050кДж/кг
• · Содержание NH₃ в газовой смеси х  ……………………………………16%

2.1 Температура начала конденсации аммиака при концентрации его в газовой смеси 16% и давлении Р = 30× 10³ кн/м² определяется по формуле

lg16 = 4,185 +  -

откуда находим Т ⁰К и переводим в t₀ ⁰С.

2.2 Количество тепла, отводимое от газа в зоне перегрева, кВт (кДж/с)

Q =  × С _{ср. газа} × (t₁ – t₀),

где С _{ср. газа} – средняя молекулярная теплоемкость газа

      (С _{ср. газа} = 30,2 кДж/кмоль);

      V- количество газовой смеси на входе в холодильник, нм³/сек;

      t₁ - температура газа на входе в холодильник, ⁰С;

      t₀ – температура начала конденсации аммиака, ⁰С.

2.3 Количество тепла, отводимое от газа в зоне конденсации

Q= q₁ + q₂ + q₃,

где q₁ – количество тепла, выделяющееся при конденсации аммиака, кВт;

q₂ – количество тепла, выделяющееся при охлаждении газовой смеси, кВт;

q₃ – количество тепла, выделяемое при охлаждении жидкого аммиака, кВт.

     Определяем количество тепла, выделяющееся при конденсации аммиака, кВт:

q₁ = G× Q 

(Gи Q  см. исходные данные)

     Определяем количество тепла, выделяющееся при охлаждении газовой смеси V₃ нм³/ч до температуры t₂ = 40⁰С (V₃ см. таблицу материального баланса первичной конденсации), кВт:

q₂ =  × С _{ср. газа} × (t₀ - t₂),         (С _{ср. газа} = 30,2 кДж/кмоль)

     Определяем количество тепла (кВт), выделяемое при охлаждении жидкого аммиака  до температуры t₂ = 40⁰С, теплоемкость жидкого аммиака

С= 4,86 кДж/кг×град:

q₃ = G× С× (t₀ - t₂)

2.4 Общее количество тепла, отводимое в холодильнике, кВт:

Q = Q + Q

2.5 Количество воды, поступающей в холодильник, кг/с:

G= ,

где Q - общее количество тепла, отводимое в холодильнике, кВт;

        С- теплоемкость воды (С= 4,2 кДж/кг×град);

         t₃ - температура охлаждающей воды на входе в холодильник (см. исходные данные);

        t₄ - температура охлаждающей воды на выходе из холодильника (см. исходные данные).

или V = , м³/ч

2.6 Температура воды в зоне конденсации ⁰С:

∆t =

2.7 Температура в точке росы равна ⁰С:

t  = t₃ + ∆t

2.8 Средний температурный перепад в зоне перегрева составит, ⁰С:

∆t_{ср 1} =

2.9 Длина трубок холодильника для зоны перегрева, м:

L =,

где k- общий коэффициент теплопередачи в зоне перегрева

      (k=72,2 вт/м×град).

2.10 Средний температурный перепад в зоне конденсации составит, ⁰С:

∆t _ср2 =

2.11 Длина трубок холодильника для зоны конденсации, м:

L=

где k- общий коэффициент теплопередачи в зоне конденсации

(k= 70вт/м×град).

2.12 Общая длина труб холодильника, м:

L= L + L

Контрольные вопросы:

1. Как подразделяют по назначению основное технологическое оборудование синтеза аммиака?

2. Из чего состоит колонна синтеза аммиака?

3. Какие вы знаете типы насадок колонны синтеза аммиака?

4. Перечислите аппараты для выделения аммиака.

5. Какая теплообменная и вспомогательная аппаратура применяется в синтезе аммиака?

6. Перечислите основные направления совершенствования производства аммиака.