24 565 кг або 32 368 нм3
Водню
23 577+10 818=34 395
кг або 264 066+121 162=385 228 нм3
Азоту
109 630+50 456=160 086кг
або 87 712+40 365=128 077 нм3
Аргону
30 203+1 106=31 309кг
або 16 913+ 619=17 533нм3
Метану
15 360 +675=16 035
кг або 21 504+945=22 450нм3
Загальний об’єм газів
585 657 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 після
вторинної конденсації 3.08% об. Для першочергового визначення кількості рідкого
аміаку , конденсованого в колоні , допускаємо , що в рідкому аміаку гази не
розчиняються . Враховуючи , що об’єм газів , за винятком аміаку , складає
585 657-32 368=553 289 нм3 , знаходимо об’єм
залишеного газоподібного аміаку:
Конденсується в рідину:
32 368-17 582=14 785
нм3 або 11 221 кг аміаку
Об’єм залишившихся газів
585 657-14 785
=570 872 нм3
Їхній сумарний парціальний
тиск:
290*570 872/585 657=282
( але згідно п.4 конденсація
відбувається 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 (в
нм3 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 , метану
28 нм3. Це близько зі значеннями розчинності , прийнятими в п.14!
Об’єм газів за винятком
аміаку та розчинених в рідкому аміаку газів :
570 872-(134+56+14+28)=570
639 нм3
Об’єм газоподібного аміаку :
570 639*3,08/(100-3,08)=18 134
нм3 або 13 762 кг
Конденсується :
32 368-18 134=14 792
нм3 або 11 227кг
Очевидно , що парціальні
тиски газів не змінились . Кількість рідкого аміаку змінилось несуттєво і не
впливає помітно на об’єм розчинених газів.
Таким чином , виділяються в
рідкому 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 аміаку
розчинилися всі водяні пари , що потрапили .
20)
Кількість
газової суміші , поступючої в колону синтеза
Аміаку
24565-11 227=13 338кг
або 17 334нм3
Водню
34395-12=34383кг або
385 093 нм3
Азоту
160 086-70=160 016 кг або 128 013 нм3
Аргону
31309-25=31284кг або
17 519 нм3
Метану
16035-20=16 015 кг або
22 422нм3
Порівнюючи отримані дані з
результатами розрахунку згідно п.11 , бачимо , що розбіжність не більше 45 нм3 (
по азоту ). Цими розбіжностями нехтуємо оскільки в данних розмірностях вони не
суттєві.
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 потрапляє
згідно п11 газової суміші 570 672 нм3/год . При об’ємній швидкості
24 000нм3/год м3 нам потрібно 23.8 м3 каталізатору.
23) Виходить з колони газової
суміші 496 004нм3
на 1 м3 каталізатора , що дуже близько до прийнятого значення в п3.
3.2 Тепловий баланс
Тепловий ефект реакції
утворення 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 153кДж
тепла
Оскільки за годину через
колону проходитиме 255 100 кг газу то на 1кг газу припадатиме тепла:
309 335 153/255
100=1212 кДж/ кг.
Ентальпія АВС при 200 оС
4750 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 від
190о до 200о С на шляху до теплообмінника поглине:
Qпогл1=m*∆i1=255 100*(4750-4700)=12 755 000
кДж
Де 255 100-маса свіжого
циркулюючого газу (АВС),кг/год; 4750 та 4700 –ентальпії АВС (3% об. аміаку) при
200о та190о відповідно. Залишається:
Qзал1
=309 335 153-12 755 000=296 580 154 кДж тепла.
Оскільки реакційна АВС на
вході в каталізатор повинна мати температуру 470оС , то для її
нагріву від 200 до 470оС в теплообміннику потрібно:
Qпогл 2=m*∆i2=255 100*(5700-4750)=242 345 000
кДж тепла.
Залишається :
Qзал2
=296 580 153-242 345 000=54 235 153 кДж тепла,
з яких на 1кг циркулюючого за
годину газу припадає:
Ізалиш=Qзал2/mцирк=54 235 153/255
100=212 кДж/кг А
Оскільки байпас потрібно
подавати після 1, 2 , 3 то цю масу необхідно збільшити втричі і загальна маса
циркулюючого 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=65.8
кг/м3 ( вхідна суміш) ρ500=53.8 кг/м3 (вихідна суміш)
Таким чином в теплообмінник
йде 1550 м3/год , на байпас -2326 м3/год. В колону поступає 3876м3/год газу.
Таблиця3
Виділилось 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
|
Винесено з колони у вигляді розігрітого газу
|
54 235 153 кДж
|
Залишилось
|
0
|
3.3 Розрахунок теплообмінника
Ціллю розрахунку
теплообмінника являється визначення поверхні теплообміну:
,
Де F-поверхня теплообміну ,м2
, K-коефіцієнт теплопередачі , Вт/(м2 оС)
∆t -середня різниця
температур оС.
Температури потоків в
теплообміннику згідно теплового розрахунку, оС:
530 → 490
470 ← 200
Різниця температур:
∆tм=60оС
∆tб=290 оС
Визначаємо середню різницю
температур за формулою:
∆tсер=(∆tб-∆tм)/ (3.5)
∆tсер=(290-60)/ln(290/60)=146
оС
Коефіцієнт теплопередачі К
визначається по формулі:
, (3.6)
4. Конструктивний розрахунок
4.1 Обечайки верхня та основна
Конструктивний розрахунок
обечайки 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
150 оС---=146 МПа
200 оС----=140МПа
300 оС-----=130МПа
400 оС------=120МПа
Коефіцієнт міцності зварних
швів . Швидкість корозії з внутрішньої
сторони Пн=0.002мм/рік , з внутрішньої Пв=0.005 мм/рік . Строк служби апарату
-20 років:
Напруження , що діють на
обичайку:
(4.4)
(4.5)
Для сталей , для
12Х18Н10Т становить 17*10-6 1/оС, Е=1.97*105 МПа
при 200оС . Перепад температур між внутрішньою та зовнішньою
стінками становить 50 оС. Проводимо розрахунок:
Максимально допустимий тиск визначаємо
за формулою:
рдоп=140*1*0.25=35МПа>рр=
30МПа.
Розрахунок верхньої обечайки (теплообмінника)
Розрахунковий коефіцієнт
товстостінності знайдемо з формули 4.1:
(4.1)
Приймемо D=1м:
Приймемо s=0.16м
.Розраховуємо новий коефіцієнт товстостінності:
Напруження , що діють на
обичайку:
Для сталей , для 12Х18Н10Т
становить 17*10-6 1/оС, Е=1.97*105 МПа при 200оС
. Перепад температур між внутрішньою та зовнішньою стінками становить 50 оС.
Максимально допустимий тиск :
(4.6)
рдоп=140*1*0.2422=33.9МПа>рр= 30МПа.
4.2 Конструктивний розрахунок днища
Днище нашої колони синтезу
приймемо слабо випуклим , тобто . Товщина днища
розраховується по формулі:
(4.7)
Діаметр фланця в днищі – 120 мм . Коефіціент ослаблення днища у в ипадку одиночного отвору
діаметром d :
(4.8)
м
Згідно ГОСТ 19903-74
Допускаємий робочий тиск
розраховується за формулою: (4.9) МПа
4.3 Конструктивний розрахунок кришки проміжної
(між обичайкою та теплообмінником)
Для даного апарату доцільно
використати конічну кришку .У випадку відсутності даних для розрахунку конічних
кришок, конічну кришку замінимо сферичною , і оскільки тангенціальні сили
,викликані великим тиском, дуже серйозні , то на металоємності це позначиться
малопомітно. Формула для розрахунку товщини стінки сферичної кришки:
(4.10)
S=2.5*30*0.8/(4*140*1-30)=0.113м
Розрахунковий коефіцієнт
товстостінності 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 в
місці розташування пазу під ущільнення у випадку застосування двухконусного
обтюратора:
(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 обтюраторне
кільце:
Fо=0.5πppDcp
hcptgα (4.14) Fо=0.78МН
Рівнодіюча внутрішнього тиску
на кришку: Fp =πDcp2p/4 (4.15)
Fp=58.9МН
F= Fо + Fp
=60MH
Приймаємо dow=60мм
приймаємо 160мм.Для верхнього
зрізу кришки:
Db=1000+160+160=1320
мм
Da=1440
З таблиці 2.4(стор 146) Dcp=1009 hcp=35 α=30o
Приймаємо 140 мм.
4.4 Конструктивний розрахунок верхньої
кришки
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 випадку
застосування двоконусного обтюратора:
(4.17)
Приймаємо 140 мм.
4.5 Конструктивний розрахунок
каталізаторної коробки
Каталізатор типу СА-1 має
густину 4.8 г/см3 . Вільний об’єм при завантаженні насипом складає 10-30%.
Приймемо 20%. При необхідних нам 23.8 м3 каталізатора загальна вага
каталізатора в каталізаторній коробці складе :
23.8*4.8*(1-0.2)=82 тони.
При 4 шарах каталізатору на
один шар припадатиме 21 тона ваги. Загальна осьова сила на корпус
каталізаторної коробки складе :
82*103 *9.81=0.8
МН
Коробка буде працювати під
зовнішнім надлишковим тиском до 3МПа та при температурі корпусу 400 оС.
Параметри каталізаторної
коробки:
Dвн =1.4 м dтр=120
мм
Vкат=24 м3
Нкат=23.8/(π*0.72)=13.6
м
Приймемо , що висота насипу 15 м.
Для розрахунку товщини
корпусу 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. Допустимий
зовнішній 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 умови
стійкості в межах пружності:
, (4.24)
Де n- коефіцієнт запасу
стійкості для робочого стану 2.4. Проводимо розрахунок:
=2.84 МПа
(4.25)
МПа
Допускаєма осьова сжимаюча
сила:
(4.26)
МН
Допустиме осьове сжимаюче
зусилля з умови стійкості в межах пружності:
(4.27)
МН
Осьова сжимаюча сила
визначається за формулою:
(4.28)
МН
Умова стійкості корпуса при
одночасній взаємодії цих сил має вигляд:
(4.29)
,
отже умова виконується,
приймаємо товщину стінки 36мм.
Розрахунок опор для
колосникових решіток Оскільки вага одного шару каталізатора становить 21 тона ,
то очевидно , що необхідна спеціальна конструкція для утримання такої ваги . В
якості такої конструкції застосуємо ребра (балку прямокутного перерізу) на які
стелитимуться 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)=0.134
МН/м2 Довжини балок при віддалені від центру зменшуються за синусоїдальним
законом:
(4.30)
Де n- відповідно порядковий
номер 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 та
заносимо в таблицю 4 результати:
Таблиця 4
Довжина 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 цих
балок , 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 матимуть
наступне кріплення:
Колоснкові решітки
(12Х18Н10Т) повинні на 1 м довжини мати площу перерізу:
= 13.9*10-5 м2 ,
де 1.3 –коефіцієнт ,що
враховує згинання перерізу решітки , аби витримати на розрив вагу каталізатору.
4.6.Конструктивний розрахунок
теплообмінника
Теплообмінник буде працювати
під зовнішнім надлишковим тиском до 3МПа та при температурі корпусу 350 оС.
Параметри рубашки
теплообмінника:
Dвн =0.8 м
Н=9м (див.п3.3)
Для розрахунку товщини
корпусу 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. Допустимий
зовнішній 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 умови
стійкості в межах пружності:
, (4.24)
Де n- коефіцієнт запасу
стійкості 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 дорівнює
сумі мас рубашки : Sперер*Н*ρ=4 900 кг
Труб: Sперер*Н*ρ*n=524
кг
Та трубних решіток. Для
визначення товщини решіток розрахуємо їх як плоске днище для апарату під
надлишковим 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 шпилькових
з’єднань
Осьова сила на кришку
(верхня) теплообмінника становить 25 МН (див.п4.4). Розрахунковий діаметр
стержня шпильки обчислюють за формулою , де враховується додаткові напруження ,
виникаючі від крутячого моменту при затяжці:
, (4.36)
Де -коефіцієнт
,враховуючий тангенціальне напруження , для двоконусного обтюратора ,=1;
-
коефіцієнт враховуючий нерівномірність розподілу навантаження між шпильками ,
для ручної затяжки =1.5
-кількість
шпильок з даного ряду чисел :6 8 10 12 16 20 24 32 36 40 44 48
-
допустиме напруження металу для стальних болтів та шпильок при 200оС
(для 12Х18Н10Т- 98 МПа) (2, стор93).
-отвір
в шпильці , для шпильок 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 різьби
гнізда корпусу проводимо за формулою:
L=1.5dp
L=1.5* 110=165 мм , приймаємо
глубину гнізда 175 мм , крок різьби 6мм.
Такі ж шпильки і в такому
розташуванні застосуємо для верхнього зрізу нижчої кришки .
Розрахуємо шпильки для
нижчого 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 різьби
гнізда 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 апаратів
виконують кованими , і з’єднуються з корпусом зварюванням. Діаметр вхідного і
вихідного фланців 120мм . Для цього зєднання застосуємо плоску алюмінієву
прокладку , ширина якої обчислюється за формулою:
(4.38)
Де -напруження
для зімяття алюмінієвої прокладки.
мм
Приймемо 8мм. Fсм=0.115МН
. Діаметр окружності центів шпильок для затворів з плоскою металічною
прокладкою :
(4.39)
а>0.5dp
Приймаємо 36.5мм , dр=45мм
, L =68мм:
Зовнішній діаметр фланця :
Висоти циліндричної частини
фланця 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.
4.9 Розрахунок опор
Кріплення теплообмінника
Вага теплообмінника складає :
6 000*9.8=0.0588 МН
При коефіцієнті міцності
зварних 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 юбочну
циліндричну з товщиною стінки , рівну товщині самої коробки--36мм. Для осьової
стійкості каталізаторної коробки застосуємо 6 опор , аналогічних в п.4.5, на
рівні нижного краю першого шару каталізатору . Маса колони в сборі становить
(приблизно ) до: М=Моб1 +Моб2+Мтепл+Мкат
кор. і катал=181.3т+72 т +6т+100т=360т F=360000*9.8=3.528МН Для нижньої
опори всієї колони синтезу знову ж таки застосуємо циліндричну опору з товщиною
стінки , рівній товщині обичайки колони -250мм. Проведемо перевірку:
Допускаєма осьова сжимаюча
сила:
(4.26)
МН
Допустиме осьове сжимаюче
зусилля з умови стійкості в межах пружності:
(4.27)
МН
Осьова сжимаюча сила
визначається за формулою:
(4.28)
МН <1,
отже умова виконується,
приймаємо товщину стінки 250мм.
Для кращої вертикальної
стійкості в залежності від обстановки на підприємстві рекомендується встановити
додаткові підпори.
Реакція на фундамент :
МПа
Отже в якості матеріалу
фундаменту доцільно використати Ж/Б конструкції
5. Вибір допоміжного обладнання
Для регулювання байпасу та
підтримання температури входу в шар каталізатора застосуємо регулятори ,
працюючі без допоміжних джерел енергії. Для регулювання температури чудово
підходить регулятор температури РТ призначений для автоматичного контролю
заданої температури рідких та газоподібних середовищ із зворотнім клапаном
РТ-50 в специфікації - температура регулюючого середовища та зовнішнього до 530оС
(на замовлення ) .
Виробник : Сафоновський завод
«Теплоконтроль»
Необхідна кількість приладів
6 шт.
Заключення
Апарат (колона ) синтезу
аміаку , розроблена в даному курсовому проекту, має наступні якості на відміну
від тих що застосовуються в промисловості:
- порівняно меншу металозатратність через
менший діаметр апарату , а також більшу корозійну та теплову стійкість;
- більший гідравлічний опір
внаслідок товщих (високих ) шарів каталізатору , і відповідно відсутня
можливість використання дрібного (діаметром зерен менше 5 мм ) зерна каталізатору.
Теплобмінник стандартизований
, що здешевлює конструкцію . Колона розрахована на роботу з циркуляційним
компрессором з перепадом тиску до 3 МПа та відповідає всім вимогам щодо
транспортування залізницею по вазі і розмірам ( в розібраному вигляді) .
Література
1. Расчеты по технологи неорганических
веществ : Учебное пособие/ Дыбина, Соловьева , Вишняк ; Под ред. Дыбиной.-
М.:Высшая школа , 1967-522с.
2. Расчет и конструирование машин и
аппаратов химических производств: Примеры и задачи : учебное пособие для
студентов втузов/ М.Ф.Михалев-Л.Машиностроение ,1984-301с.
3. Примеры и задачи по курсу процессов и
аппаратов химической технологии . Учебное пособие для втузов/Под редакцией
П.Г.Романкова 10-е изд.-Л.Химия, 1987-576с.
4. Процессы и аппараты химической
технологии. /А.Г.Касаткин 7-е изд.-М.Химия, 1961-816с.
5. Технология неорганических веществ и
минеральных удобрений: Учебник для техникумов./Мельников Е.В., Салтанова В.П. и
др-М.:Химия , 1983-432с.
6. Основные процессы и аппараты
химической технологии: Пособие по проэктированию/ Под ред. Ю.И.Дытнерского 2-е
изд.-М.:Химия, 1991-496с