Міністерство Освіти та НаукиУкраїни
Одеський національнийполітехнічний університет
Хіміко — технологічний факультет
Кафедра ТНРіЕ
Розрахункова — пояснювальна записка до курсового проекту
за темою:
Розрахунок колони синтезуаміаку продуктивністю 1360 т/добу
Одеса — 2010
Зміст
Вступ
1. Технологічна схема установки,подібні апарати в промисловості
2. Вибір конструкційних матеріалів
3. Технологічний розрахунок
3.1 Матеріальний баланс
3.2 Тепловий баланс
3.3 Розрахунок підконтактноготеплообмінника
4. Конструктивний розрахунок
4.1 Обечайки верхньої та основної
4.2 Днища
4.3 Кришки проміжної
4.4 Кришки верхньої
4.5 Каталізаторної коробки
4.6 Теплообмінника
4.7 Розрахунок шпильок
4.8 Розрахунок фланців
4.9 Розрахунок опор
5. Вибір допоміжного обладнання
Заключення
Література
Графічначастина
Вступ
У зв’язку з постійнимзбільшенням споживання аміаку народними господарствами багатьох держав світу,його синтез приносить матеріальну вигоду. В світі серед різних группромислових систем найбільш поширені системи середнього тиску – до 75%світового виробництва. Це пояснюється оптимальним співвідношенням між затратамина компримування та циркуляцію і ефективністю обладнання. В цій курсовійроботі я проведу розрахунок і виберу основні технологічні і конструктивніхарактеристики апарата синтезу аміаку з конвертованого газу при тиску 30 МПа. Початковідані, склад промислових газів, практичні дані з промислових установок будемобрати з літератури :
— Расчеты по технологинеорганических веществ: Учебное пособие/ Дыбина, Соловьева, Вишняк; Под ред.Дыбиной.- М.: Высшая школа, 1967-522с.,
-Технология неорганическихвеществ и минеральных удобрений: Учебник для техникумов./Мельников Е.В., СалтановаВ.П. и др-М.: Химия, 1983-432с.
1.Технологічна схема установки,подібні апарати в промисловості
Технологічна схема установкисинтезу аміаку показана на рис 2, а також в графічній частині. Свіжий газпоступає у вхід 9, потім разом з циркулюючим газом йде в між трубний простіртеплообмінника 1 конденсаційної колони. Частково охолоджена суміш поступає взмійовик випарника рідкого аміаку 4, де повністю охолоджується таконденсується. Утворена суміш потрапляє в сепаратор конденсаційної колони,звідки газова суміш по трубному простору теплообмінника 1 йде в центробіжнийциркуляційний компресор 5 (до 3МПа). Сжата до робочого тиску суміш поступає вколону синтезу аміаку 6, а з неї у водяний холодильник 7. В сепараторіпродувки 8 від суміші відділяється рідкий аміак та виводиться з циклу частинагазів, що необхідно для збереження постійного складу циркулюючого газу. Газ,що повертається в цикл, змішується з свіжим газом. Виділений в сепараторі 2конденсаційної колони рідкий аміак потрапляє в випарник аміаку 4, та,охолодив циркулюючий газ, виводиться у частково у вигляді газу частково увигляді рідкого аміаку. Пари води, що могли бути присутніми у свіжій газовійсуміші розчиняються у рідкому аміаку і таким чином виводяться з циклу до вступув контакт з каталізатором.
/>
Колона синтезу аміакускладається з двох сосудів високого тиску, встановлених один на одного; нижнійсосуд внутрішнім діаметром 2.4 м, товщиною стінки 250мм та висотою 22.15 м; верхній сосуд внутрішнім діаметром 1 м, товщиною стінки 110 мм, та висотою 6585 мм. Оба сосуди виготовлені низьколегованої вуглецевої сталі. В нижньомусосуді розташовують каталізаторну коробку, а в верхньому – теплообмінник,поверхня якого по середньому діаметру 475 м2. В каталізаторній коробці на перфорованих листах, виконуючих роль колосникових решіток, розташовані чотиришари каталізатору, байпасні труби та відбійні перегородки. Основний потік газув колоні синтезу проходить знизу вгору по кільцевому зазору між корпусом колонита кожухом каталі заторної коробки, а також корпусом колони та кожухомтеплообмінника, захищаючи корпус від перегріву більш 200оС, і післяцього поступає в між трубний простір теплообмінника, нагріваючись в ньому до420-440оС. Для регулювання цієї температури є байпас, через якиййде поток газу, оминаючи теплообмінник. Нагрітий газ проходить чотири шарикаталізатору по трубі, розташованій в центрі каталі заторної коробки,піднімається вгору та поступає в трубки теплообмінника охолоджуючись в ньому до330 оС, а потім виходить через верхній штуцер колони синтезу. Тепловідвіднітрубки, розташовані в шарах каталізатора, в каталізаторній коробці даноїконструкції відсутні. Замість них до газу, що проходить перший, другий,третій шар підмішують холодний байпасний газ, який знижує температуруазото-водневої суміші на вході в другий, третій та четвертий шари з 520-535 до470-480оС.Кожний з трьох байпасних потоків регулюється самостійно. Корпускаталізаторної коробки виготовлений з хромнікелевомолібденової сталі 1Х18Н12М2Т, теплообмінник –з 1Х18Н10Т. (5 стор123)
2. Вибір конструкційнихматеріалів
Синтез аміаку проходить притемпературі до 500оС, отже конструкційний матеріал має бутижаростійкий і мати великий коефіцієнт пружності аби забезпечити порівняно меншівитрати конструкційних матеріалів. Згідно ГОСТ 5632-72 застосуємо сталь з зчудовими характеристиками міцності для нашого випадку -12Х18Н10Т, яка стійкапроти електрохімічної та хімічної корозії, а також міжкристалічної корозії.
3. Технологічний розрахунок
3.1Матеріальний розрахунок агрегату синтезуаміаку
Вихідні дані (1)
Продуктивність агрегату(т/добу) ……………………..…..………1360
Робочий тиск(атм)………………………………………..………….300
Середня температураконтактування оС………………...………….500
Температура первинноїконденсації (в оС )……………..………..….-2
Температура вторинноїконденсації (в оС )………………………….28
Сумарно концентрація аргонута метану в колоні ( в обємних %)…7
Склад свіжої газової суміші
Азот……………….……………………………………………..…..24.75%
Водень…………….………………………………………………….74.29%
Аргон……………….…………………………………………………0.38%
Метан………………………………………………………………….0.58%
Крім того в газі міститься1кг Н2О на 8000нм3.
Обємна швидкість газу навході в колону (в нм3 на 1м3 каталізатора ) …24000
1) продуктивністьагрегату за годину
1360/24=56.67т/год=56 667кг/год
Подальший розрахунокпроводимо на годинну продуктивність.
2) Продуктивність на 1м3 каталізатору-24 000 нм3/год.
3) при об’ємній швидкості на вході 24000нм3/год на 1м3 каталізатора об’ємна швидкість на виходіскладе близько 21000 нм3/год на 1м3 каталізатора. При 500оСі 300 атм вміст аміаку в газі в лабораторних умовах 21.5% (рис 4)
4) Вміст аміаку в газі, поступаючому вколону синтеза, возначається умовами вторинної конденсації. При температурівторинної конденсації -2 оС та тиску 280 атм концентрація аміакувизначиться по формулі Ларсона і Блека :
/>
4сNH3=3.08%
Зниження тиску проти 300 атмвідбувається за рахунок опору, створюваного системою, так як циркуляційнийкомпресор встановлений після конденсаційної колони.
5) Ефективний тиск в колоні знаходимо порівнянню:
Pеф=4Р(1-4син)2(1-4сNH3)=300(1-0.070)2(1-0.0308)=252атм
Де с4ин– сумарний вміст аргону та метану в газі – в об’ємних долях.
6) при 300 атм і 500оСрівноважна концентрація аміаку 26.44%, а при 252 атм вона рівна 22.64% (додаток, рис 1)
7) Поправочний коефіцієнт на знаженняефективного тиску:
22.64/26.44=0.856
8)Концентрація аміаку навиході з колони синтезу з урахуванням поправочного коефіцієнта:
6Саміак=21.5*0.856=18.4 %
9) Продуктивність 1 м3 каталізатора. На кожний кубічний метр каталізатору потрапляє 4W нм3/годгазової суміші. Розрахунок проводим на 1нм3 газової суміші, тобтовизначаємо кількість аміаку (в кг), утворювану в колоні синтезу з 1 нм3поступаючої газавої суміші. Отриманий результат перераховуємо на 4Wнм3/год.
Формула для визначеннякількості утвореного в колоні аміаку має вигляд:
/> кг NH3
на 1 нм3поступаючоїгазової суміші (3.1)
Звідси при поступанні 4Wнм3/год газової суміші продуктивність каталізатору (в розрахунку на1м3 каталізатору ) складе :
/>кг/год
10) Для отримання 56 667 кг аміаку в колону повинно поступати газової суміші:
/>
11)Склад поступаючоїсуміші.за умовою, в газовій суміші, міститься 7% аргону і метану. Допускаємо,що :
4cAr=3.07% 4cCH4=3.93%
Концентрація аміаку 3.08%.Тоді сума водню та азоту буде:
100-(3.07+3.93+3.08)=89.92%.
Допускаємо, що на вході вколону співвідношення водню та азоту відповідає стехиометричному, а зурахуванням дещо більших втрат водню порівняно з азотом – 3.007: 1. Такимчином, концентрація азоту:
/>
Водню
/>
Ці концентрації повинні бутипровірені після розрахунку всього агрегату.
В поступаю чому газіміститься :
Аміаку
/> або 13 339кг
Водню
/>або 34 383 кг
Азоту
/> або 160 073 кг
Аргону
/>або 31 285 кг
Метану
/> або 16 019кг
Загальна маса газів 255 100 кг.
12) Склад газової суміші після колонисинтезу. За умовою, в колоні синтезу утворюється 56 667 кг, або 74 667 нм3, аміаку, відповідно витрачається 10 000 кг, або 112 000 нм3, водню та 46 667, або 37 333 нм3,азоту. В газовій суміші на виході з колони міститься :
Аміаку
13 339+56 667=70 006кг або 17 576+ 74 667 = 92 243 нм3
Водню
34 383-10 000 = 24 383 кг або 385 089-112 000=273 089 нм3
Азоту
160 073-46 667=113 406кг або 128 058 -37 333 =91 392 нм3
Аргону
31 285 кг або17 519 нм3
Метану
16 019 кг або22 427 нм3
Загальний об’єм газовоїсуміші 496 671 нм3.
13) Кількість аміаку,конденсуючогося у водяному холодильнику, і кількість розчинених в ньому газів.Температура паро-рідинної суміші на виході на виході з водяного холодильника 28оС, а тиск з урахуванням втрат в колоні синтезу 290 атм.
Звідси в газовій суміші,згідно розрахунку по формулі Ларсона і Блека, повинно міститись 7.66% аміаку.Допускаємо для першого визначення кількості конденсованого аміаку, що гази ваміаку не розчинні. Тоді об’єм газів, крім аміаку рівний:
496 671-92 243=404 428нм3
Звідси об’єм газоподібногоаміаку буде
/>
Конденсується
92 243-33 493 = 58 794нм3 або 44 568 кг аміаку.
Загальний об’ємнесконденсованих газів
404 428 +33 493=437 921 нм3
Парціальні тиски газів ( ватм):
Водень
290*273 089/437254=181.1
Азот
290*90 725/437 254=60.2
Аргон
290*17 519/437 254=11.6
Метан
290*22 427/437 254=14.9
При 28 оС тазнайдених парціальних тисках в 1000 кг рідкого аміаку розчиняється 19.08 нм3водню, 6.7 нм3 азоту, 1.86 нм3 аргону ,5.7 нм3метану. Тоді в 44 586 рідкого аміаку розчиниться :
44.586*19.08=850 нм3водню
44.586*6.7=298 нм3азоту
44.586*1.86=83 нм3аргону
44.586* 5.7=254 нм3метану.
Залишається в газоподібномувигляді:
Водню
273 089-850=272 239нм3
Азоту
91 392-298=91 094нм3
Аргону
17 519-83=17 436 нм3
Метану
22 424-254=22 170 нм3
Загальний об’єм цихгазів402 272 нм3.
Звідси об’єм аміаку,присутнього в газоподібному вигляді:
/>нм3 або25 325кг аміаку
Конденсується :
92 243-33 370=58873нм3 або 44 680 кг аміаку
Загальний об’єм газів:
402 272+33 370=435 643 нм3
Парціальні тиски газів (атм.):
Водню
290*272 239/435643=181.1
Азоту
290*91 094/435 643=60.2
Аргону
290*17 436/435 643=11.6
Метану
290*22 170/435 643=14.7
Розчинність газів ( в нм3на 1 000 кг аміаку ) не змінилась, так як парціальні тиски />залишились колишніми.збільшення кількості рідкого аміаку на 94кг означає, наприклад, зміну об’ємурозчиненого водню на 19.08*0.094 =1.27 нм3. Інші гази мають меншурозчинність, тому зміна кількості розчинених газів, що відбувається зарахунок збільшення маси рідкого аміаку, може бути знехтуваною.
Таким чином, після водяногохолодильника паро-рідинна суміш має наступний склад:
Таблиця 1Компонент рідина Газ кг
нм3 кг
нм3 % по об’єму Аміак 44 680 58 873 25 325 33 370 7.66 Водень 76 850 24 307 272 238 62.49 Азот 373 298 113 033 90 427 20.76 Аргон 148 83 31 137 17 436 4 Метан 181 254 15 835 22 170 5.09 всього 45458 60 359 209 639 435 643 100
Паро-рідинна суміш післяводяного холодильника потрапля в сепаратор продувки. В сепараторі відділяєтьсярідкий аміак з розчиненими в ньому газами від решти газів. На виході зсепаратору гази діляться на два потоки: один, більший по об’єму поступає назмішування з свіжим газом, другий, менший, виводиться в якості газівпродувки. />
14) кількість газів, розчинених врідкому аміаку вторинної конденсації (попереднє визначення ).
15) Кількість продувочнихгазів. Як вказано вище, для отримання56 667 кг аміаку необхідно112 000 нм3 водню та 37 333 нм3 азоту. Всьогопотрібно 149 333нм3 суміші водню та азоту.
Однак потрібно вводити деякудодаткову кількість азото –водневої суміші для компенсації розчинення газів врідкому аміаку і газів продувки. Позначимо цей резервний об'єм через х. Тодізагальний об’єм свіжої газової суміші буде 149 333 + х. В цьому об’єміміститься:
Водню 112 000 + х*0.7429
Азоту 37 333+ х*0.2475
Аргону 572+ х*0.0038
Метану 874+ х*0.0058
Всього 150 760 нм3.
З цієї кількості витрачаєтьсяна синтез аміаку та видаляється з розчинними газами
112 000+ 133 +850=112 983 нм3
водню,
37 333+ 52 +298=37 684 нм3
азоту,
83+13 =96 нм3
Позначаємо загальний об’ємпродувочних газів через у. Враховуючи склад газів, обчислений в п.13,отримаємо кількість вадаляємих газів: аміаку у*0.0766 нм3, воднюу*0.6249 нм3 азоту у*0.2076 нм3, аргону у*0.0400 нм3, метану у*0.0509 нм3. Прирівнюємо кількість продув очних газів,виражені через х та у. Отримаємо:
Для водню
0.7429х-983=0,6249у
Азоту
0,2475х-350=0,2076у
Аргону
475+0,0038х=0,04у
Метану
471+0,0058х=0,0504у
Маємо чотири рівняння з двуманевідомими. Для рішення розбиваємо їх на дві пари:
0,7429х-983=0,6249у та 0,2475х-350=0,2049у
475+0,0038х=0,04у 771+0,0058х=0,0509у
В одну пару включаєморівняння, що відносяться до водню та аргону, в іншу- до азоту та метану.Рішення цих рівнянь дає ( в нм3) х1=12 314 х2=12 351у1=13 031 у2=13 126.це означає, що різнідомішки вимагають різного, хоча і близького, об’єму продувки. Приймаємо, щопродувка визначається середнім з отриманих результатів, тобто у=13 078нм3.Середнє значення х=12 332 нм3. В об’ємі 13 078 нм3міститься :
16) Кількість циркулюючогогазу. Кількість циркулюючого газу отримуємо як різницю між кількістю наявнихпісля водяного холодильника газів (п.13) та кількістю газів продувки (п.15):
Аміак
25 325-760=24 565кг або 33 370- 1001=32 368 нм3
Водень
24 307-729=23 577кг або 272 238-8 172=264 066 нм3
Азот
113 033-3 393=109 640кг або 90 427-2 715=87 712 нм3
Аргон
31 137-933=30 203кг або 17 436-523=16 913нм3
Метан
15 835-475=15 360кг або 22 170-665=21 504 нм3.
17) кількість свіжоїазото-водневої суміші, подаваної на синтез. За розрахунком, згідно п.15,загальний об’єм свіжої авс складає :
150 760+12 332=163 093нм3
В цьому об’ємі міститься:
Водню
121 162нм3або 10 818 кг
Азоту
40 365 нм3або 50 459кг
Аргону
619 нм3або1 106 кг
Метану
945нм3 або 675 кг.
Крім цього, за умовою, вкожних 8000 нм3 сухих газів міститься 1кг парів води. Відповідно, в163 093 нм3 міститься 20,4 кг або 25,4 нм3.
18) Кількість азото-водневоїсуміші після змішування циркулюючого та свіжого газів:
Аміаку
24 565 кг або 32 368 нм3
Водню
23 577+10 818=34 395кг або 264 066+121 162=385 228 нм3
Азоту
109 630+50 456=160 086кгабо 87 712+40 365=128 077 нм3
Аргону
30 203+1 106=31 309кгабо 16 913+ 619=17 533нм3
Метану
15 360 +675=16 035кг або 21 504+945=22 450нм3
Загальний об’єм газів585 657 нм3. Крім цього в газі міститься 20,4 кг або 25,4 нм3 парів води.
19) Кількість аміаку,конденсуючогося в колоні. За розрахунком відповідно п.4 вміст аміаку післявторинної конденсації 3.08% об. Для першочергового визначення кількості рідкогоаміаку, конденсованого в колоні, допускаємо, що в рідкому аміаку гази нерозчиняються. Враховуючи, що об’єм газів, за винятком аміаку, складає585 657-32 368=553 289 нм3, знаходимо об’ємзалишеного газоподібного аміаку:
/>
Конденсується в рідину:
32 368-17 582=14 785нм3 або 11 221 кг аміаку
Об’єм залишившихся газів
585 657-14 785=570 872 нм3
Їхній сумарний парціальнийтиск:
290*570 872/585 657=282
( але згідно п.4 конденсаціявідбувається при 280 атм, тому приймемо 280 атм.)
Парціальні тиски газів (атм.):
Водню
280*385 228/570 872=188.9
Азоту
280*128 077/570 872=62.8
Аргону
280*17 533/570 872=8.6
Метану
280*22 450/570 872=11
В цих умовах розчинність (внм3 на 1 000 кг рідкого аміаку ) водню 11.99, азоту 4.96,аргону 1.27 метану 2.6. В 11 221 кг рідкого аміаку розчиниться водню 134 нм3, азоту 56 нм3, аргону 14 нм3, метану28 нм3. Це близько зі значеннями розчинності, прийнятими в п.14!
Об’єм газів за виняткомаміаку та розчинених в рідкому аміаку газів :
570 872-(134+56+14+28)=570639 нм3
Об’єм газоподібного аміаку :
570 639*3,08/(100-3,08)=18 134нм3 або 13 762 кг
Конденсується :
32 368-18 134=14 792нм3 або 11 227кг
Очевидно, що парціальнітиски газів не змінились. Кількість рідкого аміаку змінилось несуттєво і невпливає помітно на об’єм розчинених газів.
Таким чином, виділяються врідкому вигляді: а)11 227 кг аміаку в якому розчинено; б)12 кг водню; в) 70 кг азоту; г) 25 кг аргону; д) 20 кг метану.
Крім того, в рідкому аміакурозчинилися всі водяні пари, що потрапили.
20) Кількістьгазової суміші, поступючої в колону синтеза
Аміаку
24565-11 227=13 338кгабо 17 334нм3
Водню
34395-12=34383кг або385 093 нм3
Азоту
160 086-70=160 016 кг або 128 013 нм3
Аргону
31309-25=31284кг або17 519 нм3
Метану
16035-20=16 015 кг або22 422нм3
Порівнюючи отримані дані зрезультатами розрахунку згідно п.11, бачимо, що розбіжність не більше 45 нм3 (по азоту ). Цими розбіжностями нехтуємо оскільки в данних розмірностях вони несуттєві.
21) Загальна кількість товарного аміаку.Зводяногохолодильника виводиться 44 680 кг аміаку, з газів продувки 760 кг, з випарника 11 227 кг; загальна кількість 56 667 кг за годину.
22) Фактично за годину в колону потрапляєзгідно п11 газової суміші 570 672 нм3/год. При об’ємній швидкості24 000нм3/год м3 нам потрібно 23.8 м3 каталізатору.
23) Виходить з колони газовоїсуміші 496 004нм3
/>
на 1 м3 каталізатора, що дуже близько до прийнятого значення в п3.
3.2Тепловий баланс
Тепловий ефект реакціїутворення аміаку 92.38 кДж/моль. За годину повинно утворитись 56 667 кг аміаку. Це:
/>
З яких виділиться:
Qвиділ= 3333.4*103*92.38=309 335 153кДжтепла
Оскільки за годину через колонупроходитиме 255 100 кг газу то на 1кг газу припадатиме тепла:
309 335 153/255100=1212 кДж/ кг.
Ентальпія АВС при 200 оС4750 кДж/кг. Поглинувши тепло, ентальпія збільшиться:
4750+1212=5962 кДж/кг,
Що при вмісті аміаку 18%об.відповідає близько 675 оС, що неприпустимо для каталізатора.
Нагрів поступаючої АВС від190о до 200о С на шляху до теплообмінника поглине:
Qпогл1=m*∆i1=255 100*(4750-4700)=12 755 000кДж
Де 255 100-маса свіжогоциркулюючого газу (АВС), кг/год; 4750 та 4700 –ентальпії АВС (3% об. аміаку) при200о та190о відповідно. Залишається:
Qзал1=309 335 153-12 755 000=296 580 154 кДж тепла.
Оскільки реакційна АВС навході в каталізатор повинна мати температуру 470оС, то для їїнагріву від 200 до 470оС в теплообміннику потрібно:
Qпогл 2=m*∆i2=255 100*(5700-4750)=242 345 000кДж тепла.
Залишається :
Qзал2=296 580 153-242 345 000=54 235 153 кДж тепла,
з яких на 1кг циркулюючого загодину газу припадає:
Ізалиш=Qзал2/mцирк=54 235 153/255100=212 кДж/кг А
Оскільки байпас потрібноподавати після 1, 2, 3 то цю масу необхідно збільшити втричі і загальна масациркулюючого газу, що походитиме через холодний бай пас становитиме :
ρ см= ρазоту*хазоту+ρводню*хводню+ ρаміаку*хаміаку+ρметану*хметану+ ρаргону*харгону(3.2)
ρо см = 1.25*0.22+ 0.09*0.68+0.77*0.03+0.72*0.04+1.78*0.03=0.38 кг/м3
ρвих см =1.25* 0.19+ 0.09*0.56+0.77*0.18+0.72*0.04+1.78*0.03=0.509 кг/м3 ρ= ρо*(РТо/РоТ)(3.3)
ρ200=65.8кг/м3 ( вхідна суміш) ρ500=53.8 кг/м3 (вихідна суміш)
Таким чином в теплообмінникйде 1550 м3/год, на байпас -2326 м3/год. В колону поступає 3876м3/год газу.
Таблиця3Виділилось в результаті реакції 309 335 153кДж
Поглинулось через каталізаторну коробку свіжою АВС (190о-200оС) 12 755 000 кДж
Поглинулось свіжою АВС в теплообміннику (2000-4700) та байпасом 242 345 000 кДж Винесено з колони у вигляді розігрітого газу 54 235 153 кДж Залишилось
3.3Розрахунок теплообмінника
Ціллю розрахункутеплообмінника являється визначення поверхні теплообміну:
/>,
Де F-поверхня теплообміну, м2, K-коефіцієнт теплопередачі, Вт/(м2оС)
∆t -середня різницятемператур оС.
Температури потоків втеплообміннику згідно теплового розрахунку, оС:
530 → 490
470 ← 200
Різниця температур:
∆tм=60оС∆tб=290оС
Визначаємо середню різницютемператур за формулою:
∆tсер=(∆tб-∆tм)//> (3.5)
∆tсер=(290-60)/ln(290/60)=146оС
Коефіцієнт теплопередачі Квизначається по формулі:
/>, (3.6)
4.Конструктивний розрахунок
4.1Обечайки верхня та основна
Конструктивний розрахунокобечайки основної (колони синтезу аміаку)
Розрахунковий тиск 30 МПа.Температура стінки 200оС, на поверхні ззовні припустимо 150оС.В якості конструктивного матеріалу застосуємо кислотостійку теплостіку сталь(леговану) 12Х18Н10Т, для якої нормативно допускаємі напруження рівні:
20 оС---/>=160 МПа
150оС---/>=146 МПа
200оС----/>=140МПа
300оС-----/>=130МПа
400оС------/>=120МПа
Коефіцієнт міцності зварнихшвів />. Швидкість корозії звнутрішньої сторони Пн=0.002мм/рік, з внутрішньої Пв=0.005 мм/рік. Строкслужби апарату -20 років:
Напруження, що діють наобичайку:
/> (4.4)
/> (4.5)
Для сталей /> , /> для 12Х18Н10Т становить 17*10-61/оС, Е=1.97*105 МПа при 200оС. Перепадтемператур між внутрішньою та зовнішньою стінками становить 50 оС.Проводимо розрахунок:
/>
/>
Максимально допустимий тиск визначаємоза формулою:
рдоп=140*1*0.25=35МПа>рр=30МПа.
Розрахунок верхньої обечайки (теплообмінника)
Розрахунковий коефіцієнттовстостінності знайдемо з формули 4.1:
/> (4.1)
/> />
Приймемо D=1м:
/>
Приймемо s=0.16м.Розраховуємо новий коефіцієнт товстостінності:
/>
/>
Напруження, що діють наобичайку:
/>
/>
Для сталей /> , /> для 12Х18Н10Т становить 17*10-61/оС, Е=1.97*105 МПа при 200оС. Перепадтемператур між внутрішньою та зовнішньою стінками становить 50 оС.
/>
/>
Максимально допустимий тиск:
/> (4.6) рдоп=140*1*0.2422=33.9МПа>рр=30МПа.
4.2Конструктивний розрахунок днища
Днище нашої колони синтезуприймемо слабо випуклим, тобто />.Товщина днища розраховується по формулі:
/> (4.7)
Діаметр фланця в днищі – 120 мм. Коефіціент ослаблення днища/> у в ипадкуодиночного отвору діаметром d :
/> (4.8)
/>
/>м
Згідно ГОСТ 19903-74 />
Допускаємий робочий тискрозраховується за формулою: /> (4.9) />МПа/>
4.3Конструктивний розрахунок кришки проміжної(між обичайкою та теплообмінником)
Для даного апарату доцільновикористати конічну кришку.У випадку відсутності даних для розрахунку конічнихкришок, конічну кришку замінимо сферичною, і оскільки тангенціальні сили, викликані великим тиском, дуже серйозні, то на металоємності це позначитьсямалопомітно. Формула для розрахунку товщини стінки сферичної кришки:
/> (4.10) S=2.5*30*0.8/(4*140*1-30)=0.113м
Розрахунковий коефіцієнттовстостінності для сферичних кришок:
/> (4.11)
/>
Згідно методики /> обираємо ближній більший-1.15.
/> (4.12) S=(1.15-1)/0.8=0.12м
Мінімальна товщина кришки вмісці розташування пазу під ущільнення у випадку застосування двухконусногообтюратора:
/> (4.13)
Da >Db+2dp
Db=1600+250+250=2100
Da=2220
З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1613
hcp=58
α=30o
Осьова сила на обтюраторнекільце:
Fо=0.5πppDcphcptgα (4.14) Fо=0.78МН
Рівнодіюча внутрішнього тискуна кришку: Fp =πDcp2p/4 (4.15)
Fp=58.9МН
F= Fо + Fp=60MH
Приймаємо dow=60мм
/>
приймаємо 160мм.Для верхньогозрізу кришки:
Db=1000+160+160=1320мм
Da=1440
З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1009 hcp=35 α=30o
/>
Приймаємо 140 мм.
4.4Конструктивний розрахунок верхньоїкришки
Верхню кришка буде плоскою.Її товщину розрахуємо за формулою:
/> (4.16)
Db=1000+160+160=1320
Da=1440
З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1009
hcp=35
α=30o
F=25 MH/> />м
Приймаємо s=0.280м.Мінімальна товщина кришки в місці розташування паза під ущільнення у випадкузастосування двоконусного обтюратора:
/> (4.17)
/>
Приймаємо 140 мм.
4.5Конструктивний розрахуноккаталізаторної коробки
Каталізатор типу СА-1 маєгустину 4.8 г/см3. Вільний об’єм при завантаженні насипом складає 10-30%.Приймемо 20%. При необхідних нам 23.8 м3 каталізатора загальна вагакаталізатора в каталізаторній коробці складе :
23.8*4.8*(1-0.2)=82 тони.
При 4 шарах каталізатору наодин шар припадатиме 21 тона ваги. Загальна осьова сила на корпускаталізаторної коробки складе :
82*103 *9.81=0.8МН
Коробка буде працювати підзовнішнім надлишковим тиском до 3МПа та при температурі корпусу 400 оС.
Параметри каталізаторноїкоробки:
Dвн =1.4 м dтр=120мм
Vкат=24 м3
Нкат=23.8/(π*0.72)=13.6м
Приймемо, що висота насипу 15 м.
Для розрахунку товщиникорпусу необхідно визначити коефіцієнт К2 з номограми />:
/> (4.18) /> (4.19)
/> (4.20)
/> (4.21)
/>
/>/>
/>
З номограми К2=2.5.Розрахунок товщини стінки ведемо за формулою:
sp=max/> (4.22)
sp=max/>=35.2 мм
приймаємо 36мм. Допустимийзовнішній тиск визначаємо за формулою: pH=2σ(s-c)/(D+s-c) (4.23)pH=2*130*(0.036-0.008)/(1.4+0.036-0.008)=6.4 МПа
Допустимий тиск з умовистійкості в межах пружності:
/>, (4.24)
Де n- коефіцієнт запасустійкості для робочого стану 2.4. Проводимо розрахунок:
/> />=2.84 МПа
/> (4.25) />МПа
Допускаєма осьова сжимаючасила:
/> (4.26)
/>МН
Допустиме осьове сжимаючезусилля з умови стійкості в межах пружності:
/> (4.27)
/>МН
Осьова сжимаюча силавизначається за формулою:
/> (4.28)
/>МН />
Умова стійкості корпуса приодночасній взаємодії цих сил має вигляд:
/> (4.29)
/>,
отже умова виконується,приймаємо товщину стінки 36мм.
Розрахунок опор дляколосникових решіток Оскільки вага одного шару каталізатора становить 21 тона,то очевидно, що необхідна спеціальна конструкція для утримання такої ваги. Вякості такої конструкції застосуємо ребра (балку прямокутного перерізу) на якістелитимуться колосникові решітки. Розмістимо їх з кроком 10 см починаючи від центру на відстані 6см (де проходитиме центральна труба діаметром 120мм ).Навантаження, створюване каталізатором, становить: F=21000*9.8/( π*1.42/2)=0.134МН/м2 Довжини балок при віддалені від центру зменшуються за синусоїдальнимзаконом:
/> (4.30)
Де n- відповідно порядковийномер від середини і становлять відповідно
L1=1.396м
L2=1.382м
L3=1.338м
L4=1.261м
L5=1.145м
L6=0.976м
Згинаючий момент дорівнює:
/> (4.31)
Діюча сила пропорційна площі:
/> (4.32) />, (4.33)
Де b- ширина балки, 20мм, h–висота, м.
Проводимо розрахунок тазаносимо в таблицю 4 результати:
Таблиця 4Довжина м Діюча сила, пропорційна площі, МН Згинаючий момент МНм h, м 1.396 0.019 0.0133 0.182 1.382 0.0185 0.0128 0.179 1.338 0.0179 0.012 0.173 1.261 0.0169 0.011 0.165 1.145 0.0153 0.009 0.15 0.976 0.0131 0.007 0.133
Приймаємо 185 мм (2шт), 180 мм (4шт), 150мм (4шт) для усього перерізу .
Розрахуємо опори для цихбалок, що матимуть наступний вигляд:
Переріз балок по 185 мм-0.038м2. При товщині опори 10 мм периметр кріплення (зварного шва) має складати 0.038/0.01=0.38м, тобто при φзвар=0.95 матимутьнаступне кріплення:
Колоснкові решітки(12Х18Н10Т) повинні на 1 м довжини мати площу перерізу:
/>= 13.9*10-5 м2,
де 1.3 –коефіцієнт, щовраховує згинання перерізу решітки, аби витримати на розрив вагу каталізатору.
4.6.Конструктивний розрахуноктеплообмінника
Теплообмінник буде працюватипід зовнішнім надлишковим тиском до 3МПа та при температурі корпусу 350 оС.
Параметри рубашкитеплообмінника:
Dвн =0.8 м
Н=9м (див.п3.3)
Для розрахунку товщиникорпусу необхідно визначити коефіцієнт К2 з номограми /> за формулами:
/> (4.18)
/> (4.19)
/> (4.20)
/> (4.21)
/>
/>/>
/>
З номограми К2=2.4.Розрахунок товщини стінки ведемо за формулою:
sp=max/> (4.22)
sp=max/>=19.2 мм
приймаємо 20мм. Допустимийзовнішній тиск визначаємо за формулою: pH=2σ(s-c)/(D+s-c) (4.23)pH=2*130*(0.02-0.0008)/(0.8+0.02-0.0008)=6.34 МПа
Допустимий тиск з умовистійкості в межах пружності:
/>, (4.24)
Де n- коефіцієнт запасустійкості для робочого стану 2.4. Проводимо розрахунок:
/> />=2.3 МПа
/> (4.25)
/>МПа
Умова стійкості корпуса:
/> (4.26 а)
/>,
отже умова виконується,приймаємо товщину стінки 20мм.
Вага теплообмінника дорівнюєсумі мас рубашки: Sперер*Н*ρ=4 900 кг
Труб: Sперер*Н*ρ*n=524кг
Та трубних решіток. Длявизначення товщини решіток розрахуємо їх як плоске днище для апарату піднадлишковим тиском 3МПа:
sp=max/> (4.34)
К=0.53 (2.стор21) Ко/> (4.35)
/>
sp=max/>=20 мм
Вага двух трубних решіток 77 кг
Загальна вага 5 501 кг, оскільки вагу перегородок не визначали, округлимо до 6 000кг
4.7 Розрахунок шпильковихз’єднань
Осьова сила на кришку(верхня) теплообмінника становить 25 МН (див.п4.4). Розрахунковий діаметрстержня шпильки обчислюють за формулою, де враховується додаткові напруження,виникаючі від крутячого моменту при затяжці:
/> , (4.36)
Де />-коефіцієнт, враховуючийтангенціальне напруження, для двоконусного обтюратора ,/>=1;
/> — коефіцієнт враховуючийнерівномірність розподілу навантаження між шпильками, для ручної затяжки />=1.5
/>-кількість шпильок з даногоряду чисел :6 8 10 12 16 20 24 32 36 40 44 48
/> — допустиме напруження металудля стальних болтів та шпильок при 200оС (для 12Х18Н10Т- 98 МПа) (2,стор93).
/>-отвір в шпильці, дляшпильок до М85Х6 -12мм, з різьбою більше М85Х6 -18мм.
Кількість шпильок -36.
/>
З таблиці 2.5 (2. стор 148):
dc =101.5мм
dр=110мм
діаметр болтової окружності,мінімально необхідний з умови розміщення шпильок:
/> (4.37)
/>м
Розрахунок довжини різьбигнізда корпусу проводимо за формулою:
L=1.5dp
L=1.5* 110=165 мм, приймаємоглубину гнізда 175 мм, крок різьби 6мм.
Такі ж шпильки і в такомурозташуванні застосуємо для верхнього зрізу нижчої кришки .
Розрахуємо шпильки длянижчого краю нижчої кришки:
/> З таблиці 2.5 (2 стор 148) :
dc =141.5мм
dр=150мм
Діаметр болтової окружності,мінімально необхідний з умови розміщення шпильок:
/>
Розрахунок довжини різьбигнізда корпусу проводимо за формулою:
L=1.5dp
L=1.5* 150=225 мм,
приймаємо глубину гнізда 235 мм, крок різьби 6мм.
4.8 Розрахунок фланців
Фланці для подібних апаратіввиконують кованими, і з’єднуються з корпусом зварюванням. Діаметр вхідного івихідного фланців 120мм. Для цього зєднання застосуємо плоску алюмінієвупрокладку, ширина якої обчислюється за формулою:
/> (4.38)
Де />-напруження для зімяттяалюмінієвої прокладки.
/>мм
Приймемо 8мм. Fсм=0.115МН. Діаметр окружності центів шпильок для затворів з плоскою металічноюпрокладкою:
/> (4.39)
а>0.5dp
/>
Приймаємо 36.5мм, dр=45мм, L =68мм:
/>
Зовнішній діаметр фланця:
/>
Висоти циліндричної частинифланця Н3 і Н4 при куту конусності 45о:
Н4 =L+0.75dp=68+0.75*45=102мм
Н3=sp=0.5D(β-1)=0.5*0.12*(/> м.
Приймаємо 18мм.
4.9Розрахунок опор
Кріплення теплообмінника
Вага теплообмінника складає :
6 000*9.8=0.0588 МН
При коефіцієнті міцностізварних швів 0.8, та запасі міцності 1.1 отримуємо площу шва :
0.0588/(0.8*130/1.1)=0.000622м2
При ширині шва 1 см його довжина складає 63 см., тобто одна трубна решітка буде кріпитись 32 сантиметрами зварного зєднання. Каталізаторнна коробка матиме в якості опори юбочнуциліндричну з товщиною стінки, рівну товщині самої коробки--36мм. Для осьовоїстійкості каталізаторної коробки застосуємо 6 опор, аналогічних в п.4.5, нарівні нижного краю першого шару каталізатору. Маса колони в сборі становить(приблизно ) до: М=Моб1 +Моб2+Мтепл+Мкаткор. і катал=181.3т+72 т +6т+100т=360т F=360000*9.8=3.528МН Для нижньоїопори всієї колони синтезу знову ж таки застосуємо циліндричну опору з товщиноюстінки, рівній товщині обичайки колони -250мм. Проведемо перевірку:
Допускаєма осьова сжимаючасила:
/> (4.26)
/>МН
Допустиме осьове сжимаючезусилля з умови стійкості в межах пружності:
/> (4.27)
/>МН
Осьова сжимаюча силавизначається за формулою:
/> (4.28)
/>МН />
отже умова виконується,приймаємо товщину стінки 250мм.
Для кращої вертикальноїстійкості в залежності від обстановки на підприємстві рекомендується встановитидодаткові підпори.
Реакція на фундамент:
/>МПа
Отже в якості матеріалуфундаменту доцільно використати Ж/Б конструкції
5.Вибір допоміжного обладнання
Для регулювання байпасу тапідтримання температури входу в шар каталізатора застосуємо регулятори,працюючі без допоміжних джерел енергії. Для регулювання температури чудовопідходить регулятор температури РТ призначений для автоматичного контролюзаданої температури рідких та газоподібних середовищ із зворотнім клапаномРТ-50 в специфікації — температура регулюючого середовища та зовнішнього до 530оС(на замовлення ).
Виробник: Сафоновський завод«Теплоконтроль»
Необхідна кількість приладів6 шт.
Заключення
Апарат (колона ) синтезуаміаку, розроблена в даному курсовому проекту, має наступні якості на відмінувід тих що застосовуються в промисловості:
— порівняно меншу металозатратність черезменший діаметр апарату, а також більшу корозійну та теплову стійкість;
— більший гідравлічний опірвнаслідок товщих (високих ) шарів каталізатору, і відповідно відсутняможливість використання дрібного (діаметром зерен менше 5 мм ) зерна каталізатору.
Теплобмінник стандартизований, що здешевлює конструкцію. Колона розрахована на роботу з циркуляційнимкомпрессором з перепадом тиску до 3 МПа та відповідає всім вимогам щодотранспортування залізницею по вазі і розмірам ( в розібраному вигляді).
Література
1. Расчеты по технологи неорганическихвеществ: Учебное пособие/ Дыбина, Соловьева, Вишняк; Под ред. Дыбиной.-М.: Высшая школа, 1967-522с.
2. Расчет и конструирование машин иаппаратов химических производств: Примеры и задачи: учебное пособие длястудентов втузов/ М.Ф.Михалев-Л.Машиностроение ,1984-301с.
3. Примеры и задачи по курсу процессов иаппаратов химической технологии. Учебное пособие для втузов/Под редакциейП.Г.Романкова 10-е изд.-Л.Химия, 1987-576с.
4. Процессы и аппараты химическойтехнологии. /А.Г.Касаткин 7-е изд.-М.Химия, 1961-816с.
5. Технология неорганических веществ иминеральных удобрений: Учебник для техникумов./Мельников Е.В., Салтанова В.П. идр-М.: Химия, 1983-432с.
6. Основные процессы и аппаратыхимической технологии: Пособие по проэктированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского 2-еизд.-М.: Химия, 1991-496с