Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

книги / Справочное пособие по теплотехнологическому оборудованию промышленных предприятий

..pdf
Скачиваний:
6
Добавлен:
12.11.2023
Размер:
19.13 Mб
Скачать

 

Рис. 9.35. Основные размеры деталей насадки.

 

 

Размеры корпуса

выбирают

исходя

из

 

некоторых

установленных

практикой

 

рацио­

 

нальных

соотношений

 

размеров

отдельных

 

частей

и узлов

насадки,

а

также

из

условия

 

ее максимальной компактности.

 

катализато­

 

 

Зависимость

между

объемом

 

ра и основными размерами корпуса колонны

 

(см. рис. 9.35) можно записать

в

следующем

 

виде [85]:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для трубчатой и полочной насадок без

 

отбора тепла реакции

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VK * 0,Z8DlY;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VK »

0,33D\Y\

 

 

 

 

 

 

 

 

для

трубчатой

и полочной

насадок

с

от­

 

бором тепла

(внутренние котлы)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VK =

О.ЗОДЗк;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

VK =

0,26D*K.

 

 

 

 

 

 

 

Здесь

У — соотношение

 

между

внутренней

 

высотой

и

его

внутренним

диаметром

А -

 

В крупногабаритных колоннах синтеза целе­

 

сообразно выбирать У не более

8—И,

в

ко­

 

лоннах меньших размеров (диаметром 600—

Для облегчения

850 мм) — в пределах 12—16.

 

11879—66

со­

предварительного

выбора

корпуса по

ГОСТ

ставлена номограмма

(см. рис. 9.36).

(внутренний диаметр

катализаторной

ко­

Диаметр катализаторного слоя А

робки) обычно принимают на 80—ПО мм меньше внутреннего диаметра корпуса

А( А =0,86-0,91 А ) .

Общая высота промежуточных зон насадки (от верхней крышки до катали­ затора, от катализатора до трубной части теплообменника и от трубной части до нижней крышки или днища колонны) не должна превышать 900—1200 мм, состав­ ляя 8—9 % высоты корпуса, т. е. hi+h2+h3= (0,08—0,09)На.

Высота теплообменника Я т в трубчатых насадках колонны синтеза аммиака без отбора тепла реакции может составлять до 24—28 % высоты катализатора Нк. Высота катализаторного слоя колеблется в пределах 68—73 % внутренней высоты корпуса. В полочных насадках без отбора тепла вследствие большой от­ носительной длины теплообменника и установки смесительных устройств между полками Я к» (0,6—0,65) А ; в насадках с отбором тепла это значение снижается до (0,50—0,56) Я а — для трубчатых насадок и до (0,42—0,50) Я а — для йолочных.

При определении температур в характерных точках колонны необходимо раз­ личать два случая: колонны с отбором тепла реакции и без него. Во втором слу­ чае температура Т2 газа, выходящего из колонны синтеза, не зависит от типа и конструкции насадки и определяется из уравнения общего теплового баланса:

(wV +

g) cp tx+

Qn

h ~

WVCP.

 

где wV -}- g, wV — количество соответственно прямого и обратного газов, кмоль/ч; ti — температура прямого газа на входе в колонну, °С; сР{ — теплоемкость газовой

смеси, Дж/(моль • К) (здесь значение индекса i соответствует индексу температу­ ры газа); 0р — тепловой эффект реакции, Дж/моль NH3; Qn — внешние потерн тепла, кДж/ч.

16 Зак. 2571

241

 

Рис.

9.36. Номограмма предварительного

выбора

основных

размеров

корпуса:

/ — трубчатая

иасадка; 2 — полочная

насадка;

3 — трубчатая

насадка

с

использованием

тепла

реакции;

4 — полочная насадка

с использованием тепла

реакции. На

рисунке

показан

выбор

Da при

заданных VK=7 м3, У=8 для

трубчатой насадки с использованием тепла

 

 

 

реакции.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 9.37. Расчетная тепловая схема ко­

 

 

 

лонны синтеза аммиака.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температуру входящего в теплообмен­

 

 

 

ник

холодного

газа t\

(см.

рис.

9.37)

 

 

 

принимают в зависимости от особенностей

 

 

 

начального хода газа. Если

газ

поступа­

 

 

 

ет непосредственно в

теплообменник ко­

 

 

 

лонны, то

t\

=<г

Если

же

основной

 

 

 

газ пропускают по кольцевому зазору, как

 

 

 

это

практикуется в современных

конст­

 

 

 

рукциях,

то принимают

=

 

+

(15—

 

 

 

20) °С.

Тогда

количество

тепла,

полу­

 

 

 

ченного газом в зазоре, равно

 

 

 

 

 

 

 

 

Qr.3 = * (wV + В) сР1 (f'l — <]).

 

 

 

где х — доля прямого газа, идущего через

 

 

 

теплообменник.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Температуру газа на входе в ката­

 

 

 

лизатор ts выбирают в пределах 440—

 

 

 

475 °С

в

зависимости

от

типа

насадки

 

 

 

(меньшие

значения — для

колонн

с про­

тивотоком в насадке, большие — для насадок с параллельным током)

с последу­

ющей корректировкой по температуре горячей точки, которая не должна превы­

шать 530—535 °С.

Температуру газа на выходе из зоны катализатора /6 следует устанавливать в пределах 470—495 °С.

242

Долю байпасного газа т\, направленного в обход теплообменника (1-й бай­ пас), принимают не более 8— 10 %, долю газа т2 (2 -й байпас) — 10—17 % для насадки типа ГНАП-ДАТЗ и 17—25 % для двухзональной насадки. Доля газа т2 в дальнейшем корректируется при расчете режима катализа.

Температура подогрева газа в теплообменнике определяется

из

уравнения

теплового баланса теплообменника:

 

 

 

 

 

* ( ^ + g ) cp/ l + wV(cpita - c pJ,)

 

 

h

ЛГ (wV -j- g) Cp3

 

(9'3 '

где x = \ —m j—m2; h,

h — температура обратного газа

соответственно

на выходе

из колонны и на выходе из катализатора.

 

 

 

находят из

Температуру газа на входе в трубки катализаторной коробки

с

уравнения теплового баланса процесса смешения газа

1 -го байпаса

основным

газом после теплообменника:

 

 

 

 

 

х

т\

 

 

 

 

U 1 — т2*3 ^~ 1

— тг

 

 

 

При расчете колонн с отбором тепла в насадке удобным критерием при вы­ боре теплового режима является температура газа на выходе из колонны t2o, ко­ торую принимают не ниже 100—110°С. В этом случае количество тепла, отводи­ мого в котле теплоносителем, определяется из уравнения теплового баланса:

QK= (wV + g) cp tx + gq™ — wVcp2ot2oQn.

Температуру обратного газа на входе в теплообменник t6o определяют из теплового баланса котла:

/

_ /

____ ______

*6о

*6 са

wVcD

 

рбо

рбо

Для улучшения теплообмена в котле и теплообменнике температуру /бо желатель­ но иметь в пределах 485—495 °С.

Температуру нагрева прямого газа в теплообменнике h определяют по урав­ нению (9.31), в котором h и t2 заменяют на t60 и 12о.

Так как влияние регулируемого отбора тепла в котле эквивалентно действию

1 -го байпаса, то m j= 0, х= \ — т2 и tA=ts.

 

колонны выпол­

Проверку правильности расчетов характерных температур

няют, используя уравнение теплового баланса катализаторной

коробки:

(1 — m2) (wV +

g) cp tt + т 2 (wV +

g) cp tx - f gq* =

=

wVcpJ 9-1- Qn + Qr .3-

 

Площадь поверхности теплообменника определяют из уравнения теплопере­

дачи:

 

 

 

 

Fr^Q r/Ш ,

 

 

где QT — тепловая нагрузка по газу, кВт.

 

 

Для прямого газа

х (wV + g) (cpJ з -

cp t[).

 

QT =

 

Для обратного газа: без отбора тепла

16*

243

с отбором тепла

QT = ® V ( 4 o '* > _ % o 4 -

Температурный напор At в теплообменнике принимается как среднеарифмети­ ческое значение:

At = (*б~*з) + (*2 ~~*l)

При расчете коэффициента теплопередачи к исходят из конструктивных раз­ меров. Предварительно выбирают внутренний диаметр кожуха теплообменника, число трубок п, их диаметр, размер центральной части теплообменника, не заня­ той трубками, а также расстояние между поперечными перегородками межтруб­ ного пространства.

Исходя из размеров теплообменника, схемы движения газов и их скоростей, определяют коэффициенты теплоотдачи в трубном и межтрубном пространствах,

азатем коэффициент теплопередачи.

Сучетом снижения величины коэффициента теплопередачи в конце колонны предусматривают запас поверхности нагрева, для чего конструктивную длину

трубок принимают в колоннах без отбора тепла на 35—40 % больше расчетной, а в колоннах с отбором тепла — на 25—35 %.

Основными задачами теплового расчета катализаторной коробки являются [85]: обеспечение нагрева прямого газа в теплоотводящих трубках до температу­ ры начала реакции <5=400—475 °С; создание по высоте катализаторного слоя тем­ пературного режима, близкого к оптимальному; быстрый подъем температуры на коротком входном участке катализатора до горячей точки (510—535 °С в зависи­ мости от конструкции трубок), а затем плавное снижение температуры на боль­ шей части высоты катализаторного слоя (<6=470—495°С).

Исходными данными для расчета являются: количество и состав газовой сме­ си на входе в катализаторную коробку и на выходе из нее; давление газа и объем катализатора; поперечное сечение катализаторной коробки; диаметр тру­ бок, а также температуры <4 и <6 (см. рис. 9.37).

В ходе расчета добиваются совпадения температур <4 и <6 с заданными и со­ здания благоприятного режима катализа путем изменения числа трубок, темпе­ ратуры входа в катализатор <5, длины изолированных участков труб, а при воз­ можности и числа байпасных труб и доли газа т 2. Для определения увеличения содержания аммиака в газе по высоте катализатора и соответствующих колиг честв выделяющегося тепла используют кинетические зависимости для принятого давления синтеза и применяемого катализатора.

Существует несколько методов расчета температурного режима катализа [85]. Рассмотрим аналитический метод Ю. А. Соколинского, расчетные формулы которого получены решением дифференциальных уравнений, связывающих кине­ тику процесса и теплообмен для различных систем трубок. Метод позволяет не­ посредственно определять температуру и концентрацию аммиака в любой точке по высоте катализаторной коробки.

Распределение аммиака находят численным интегрированием кинетического уравнения, скорость реакции определяют по уравнению Темкина — Тыжова. Вы­ ражение для определения температур в катализаторной зоне и трубках находят решением уравнений теплового баланса и теплопередачи.

Расчет ведется в два этапа. Сначала ориентировочно задаются распределе­ нием температур по высоте катализаторной зоны. Затем численным интегриро­ ванием решается кинетическое уравнение и находится распределение концентра­ ции аммиака в зоне. На втором этапе по найденным значениям концентрации

244

аммиака вычисляются температуры в катализаторной зоне. Если полученное распределение температур значительно отличается от заданного, вычисления по­ вторяются до тех пор, пока не будет достигнуто совпадение с заданной точно­ стью.

Кинетическое уравнение синтеза аммиака имеет вид

 

dy

со (2 , t)

,

(9.32)

 

~

= -

wnx

 

dx

 

 

 

где х — текущее (относительное)

расстояние от входа

в катализатор (в долях от

общей высоты Н катализаторной

зоны); у — степень

превращения азотно-водород-

ной смеси в аммиак: у

gr

 

 

 

 

= — — - — ; z — текущая концентрация аммиака:

 

 

гпх — У

 

(9.33)

 

 

1

- у

 

 

 

 

 

© — скорость реакции синтеза аммиака; gr — количество полученного аммиака.

Уравнение скорости реакции синтеза аммиака (уравнение Темкина — Тыжова) можно записать [85] в виде

© = h рщ

(9.34)

где A|, k i— константы скорости соответственно прямой и обратной задачи. Уравнение (9.34) можно преобразовать к виду

 

 

 

 

Г

ч

 

 

< м 2

 

 

 

 

а

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ь

 

( 1 - м

 

 

 

 

(1 bz),

 

(9.35)

 

 

■ “

П

 

р о=- ч г

4

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где 2р^ — равновесная концентрация аммиака

в смеси:

zp^ =

 

гр;

Ь =

 

гр — равновесная

объемная

концентрация

аммиака;

/ г — мольная

концентрация

инертных газов

в циркулирующей смеси,

не

содержащей

NHs:

/ г =

iBK

—■----:----- ;

ct — коэффициент,

зависящий

от содержания

инертных

газов:

ct- =

 

1 +

2Вх

[(1

— / г) (1 +

+ /г Л м

; * — константа,

пропорциональная константе

скорости

обратной

реак­

ции

kz\

при

постоянном

давлении

k

зависит только

от

температуры:

k —

= TiKAcpexp | —

 

 

 

 

— j J ; riK— коэффициент,

учитывающий пониже­

ние

активности

 

катализатора

^производственных

условиях:

 

т)к =

0 , 6 0 , 8 ;

Тср — средняя температура процесса;

Аср — константа

скорости

при

этой темпе­

ратуре.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Так

как

синтез

аммиака проходит при температуре

460—540 °С, можно

при­

нять ТСр= 773 К; для этой температуры н давления 30 МПа величина kcp равна

170 и 205 кмоль/(м3 -ч) соответственно для дважды

и четырежды промотнрован-

ных катализаторов. Энергия

активации для

'

обоих

катализаторов £ =

= 168 кДж/моль.

 

уравнение

(9.32) в

разностное уравнение:

Преобразуем дифференциальное

ЛЛ = - ^

7 “

(г-'сР. '/с р )Л*1-

 

(9.36)

 

 

Разбив длину катализатора на участки и решив для каждого участка уравнение (9.36) совместно с (9.33), получим распределение концентрации аммиака по дли­ не катализатора.

Дифференциальные уравнения, связывающие температуру и степень превра­ щения, можно записать в следующем виде [85]:

для простых трубок

245

 

— dx '

dx

dx

 

dx

 

 

 

 

 

 

(9.37)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для двойных трубок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

,

d h _

dU

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

±

dx +

dx _l"

dx

 

ф

d x '

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.38)

 

 

+ -7 ? = B ( < ! - < 0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dx

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

где /,

t\, to — температура соответственно

в слое катализатора,

трубках

и

коль-

 

qp

 

kitiH

 

 

 

 

konH

 

 

 

 

 

цевом зазоре; <p=

 

( ш г + г ) С;

: в

W

T i ) V

: ки к* ~ коэффици'

енты

теплопередачи

 

соответственно

через

наружные

и

внутренние

трубки,

кВт/(м2 • К); п — число

теплоотводящих трубок; Н — высота слоя катализатора, м.

Знак плюс соответствует движению газа в трубках

(или в кольцевом зазоре

тру­

бок) прямотоком с газом в катализаторном

 

пространстве,

знак

минус — движению

противотоком.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Граничные условия:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для простых противоточных трубок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

М 0 ) = / ( 0 );

 

 

 

 

 

 

(9.39)

для простых параллельных трубок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Ч ') = ( ( 0 );

 

 

 

 

 

(9.40)

для двойных противоточных трубок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

h (1 ) =

t2 (1 );

\

 

 

 

 

 

 

(9.41)

 

 

 

МО) =

*(());

}

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для двойных параллельных трубок

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ti (0) =

tz (0); ^

 

 

 

 

 

 

(9.42)

 

 

 

h

( 0 =

t (0).

}

 

 

 

 

 

 

Считается, что газ не нагревается во время прохождения через центральную

трубу и при других холостых ходах.

 

 

 

 

 

 

 

г

г

j

/о .Интегрирование

уравнений

(9.37), (9.38)

при

граничных

условиях

(9.39) —

(9.42) дает следующие выражения:

 

 

 

r

 

 

 

 

'

для простых противоточных труб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t(x) = q>[y (* )--> (* )] + /?;

 

 

 

 

 

 

 

 

1 (х) = А f ydx\

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.43)

 

 

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для простых параллельных труб

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

t (х) =

Ф {у (X) — [/ (X) — (/^ (J

е2>1))] е-2Ах} +

 

 

 

 

/ (х) +

А |’ e2Axydx;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(9.44)

 

 

о

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

для двойных параллельноточных труб

246

/. = •/» = о, Д/, = (Mi-l + M,)i;

U, = ~

(Л,_, + Л,);

fi — Ii—i-r&Ii\

Jt =

Ji—i +

A7t-,

i = I ,

2,

 

iV;

 

С/ =

7/D/

i\

 

 

 

 

 

 

 

|Л4В

 

 

 

 

 

 

------ii— ci, _-----

/ =

0 ,

1 , ....

JV;

 

Hi — ch/Л В

W

 

 

 

 

 

 

 

5/ = Ф [l/i — (Q — #i0]>

t = 0,

I........

N;

 

для двойных параллельноточных труб

 

 

 

 

 

 

,

/

А .\ , V Л (Л 4- s)

 

 

Wi = exp (Л) exp (— Т Г 7

s h --------

 

Jv-----

" *5

 

^ = ^ exp ( “J " fj;

К/ =

и е х р ^ —

j ,

i =

0 ,

1 ........

л;

д'/=

 

 

 

+

‘ = 1’ 2*-• ^

Д*^ = ~4N

 

А

1

 

/° =

=

0;

 

Л =

/ г+|

+

Д74.; Уг =

/ f-_,

+ A /t-;

 

 

Q =

exp

j

— r2Ji e x p ^ i j ,

i = 0,

1........N;

DN = B{er4 N - e r*JN\,

 

 

Du — Си

;

к ---------- -------- ”

"

V

N

 

'

 

chVA(A + B)

 

 

si = Ф [*/i — (Ci kWi)],

i = 0,

1, ,..,

N.

 

Далее вычисляются значения R (блок 13) и 7,- (блоки 1420). Затем опреде­ ляется максимальное отклонение Е расчетных температур от заданных. Если Е оказывается меньше допустимой погрешности, то расчет заканчивается (блок 21). В противном случае расчет повторяется, но за исходное распределение темпера­ тур принимаются полученные значения температур. В принципе необходимо за­ давать также эталонное распределение температур, которое необходимо полу­ чить. Путем введения в алгоритм дополнительных циклов по изменению парамет­ ров насадки можно добиться оптимального температурного режима катализа.

Блок 22. Вывод результатов расчета.

Другие методики расчета насадок колонны синтеза аммиака подробно изло­ жены в работе [85].

ЛИТЕРАТУРА

1.Ансеров Ю. М., Дурнев В. Д. Машиностроение и охрана окружающей среды.— Л.: Машиностроение, 1979.

2.Арендарчук А. В. Общепромышленные электропечи непрерывного дейст­

вия.— М.: Энергия, 1977.

3.Арсеньев Ю. Д. Инженерно-экономические расчеты в обобщенных пере­ менных.— М.: Высш. школа, 1979.

4.Арутюнов В. А., Миткалинный В. И., Старк С. В. Металлургическая тепло­

техника.— М.: Металлургия, 1974, т.

1.

5. Бакластов А. И. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользу-

ющнх установок.— М.: Энергия, 1970.

6. Балацкий О. Ф. Экономика

чистого воздуха.— Киев: Паукова думка,

1979.

7. Бахмиян Ц. А., Волоков Н. Ф. Современные конструкции трубчатых печей нефтеперерабатывающей промышленности и методы улучшения их работы.— М.: ЦНИИЭнефтехим, 1977.

8. Берковский Б. М., Ноготов Е. Ф. Разностные методы исследования задач теплообмена.— Мн.: Наука и техника, 1976.

9. Бесков С. Д. Технико-экономические расчеты.— М.: Машиностроение, 1962. 10. Бондарев Л. Г. Ландшафты, металлы и человек.— М.: Мысль, 1976.

1 1 . Борисов

С. Н., Даточный В. В. Гидравлические расчеты газопроводов.—

М.: Стройиздат,

1972.

12. Бретшнайдер С. Свойства газов и жидкостей.— М.— Л.: Энергия, 1966.

13.Варгафтик Н. Б. Справочник по теплофнзическнм свойствам газов и жидкостей.— М.: Наука, 1972.

14.Васильев С. 3., Маергойз И. И., Пушкарев Л. И. Установки экзогаза.—

М.: Энергия, 1977.

15.Внуков А. К. Кинетика окисления N 0 и N 02 молекулярным кислородом.— Изв. вузов СССР.— Энергетика, 1978, № 1, с. 62—65.

16.Внутренние санитарно-технические устройства: Справочник проектиров­

щика.— М.: Стройиздат, 1978,

ч. II. Вентиляция и кондиционирование воздуха.

17. Вопросы экономики и

организации производства в дипломном проекте

по теплоэнергетике/А. Н. Златопольский, Н. Г. Орлова, С. Л. Прузнер, В. И. Деркачев.— М.: МЭИ, 1976.

18.Вторичные энергоресурсы и энерготехнологическое комбинирование в промышленности/Н. А. Семененко, Л. И. Куперман, С. А. Романовский и др.— Киев: Вища школа, 1979.

19.Вукалович М. П., Ривкин С. Л., Александров А. А. Таблицы теплофнзиче-

ских свойств воды и водяного пара.— М.: Изд-во стандартов, 1969.

20. Вульман Ф. А., Хорьков Н. С. Тепловые расчеты на ЭВМ теплофнзических свойств воды и водяного пара.— М.: Энергия, 1975.

21. Выбор режимов нагрева металла/В. В. Быков, И. В. Франценюк,

Б.М. Химков, Г. А. Щапов.— М.: Металлургия, 1980.

22.Выпарные вертикальные трубчатые аппараты общего назначения: Ката­ лог.— М.: ЦИНТИхимнефтемаш, 1972.

23.Геминтерн В. И., Качан Б. М. Методы оптимального проектирования.—

М.: Энергия, 1980.

24. Гуревич Д. А. Проектные исследования химических производств — М.: Хи­ мия, 1976.

250

Соседние файлы в папке книги