отчет по практике. Производство неконцентрированной азотной кислоты. Стадия окисления аммиака. Мощность 380 тыс тг

• Название: Производство неконцентрированной азотной кислоты. Стадия окисления аммиака. Мощность 380 тыс тг
• Дата: 25.04.2022
• Размер: 1.63 Mb.
• Имя файла: отчет по практике.docx
• Тип: Отчет; #496418
• страница: 6 из 7

Приход тепла

В контактный аппарат на стадии окисления аммиака тепло вносится аммиачно-воздушной смесью, а также выделяется в результате протекания экзотермических реакций (24) и (25).

Средние теплоемкости компонентов могут быть рассчитаны согласно следующим уравнениям:

1. 
   Тепло вносимое в контактный аппарат аммиачно-воздушной смесью:
   

;

где: , , , и , , , – теплоемкости и количества NH₃, O₂, N₂, и H₂O на входе в контактный аппарат соответственно; -температура аммиачно-воздушной смеси на входе в контактный аппарат, °С.

2. 
   Тепло, выделяющееся в контактном аппарате при окислении аммиака кислородом воздуха по реакциям (24) и (25):
   

где: , , – изменение стандартной энтальпии при образовании NH₃, NО и H₂O кДж/моль; n^н,n^к – начальные и конечные количества вещества, кмоль/ч.

Таблица 11

Изменение стандартной энтальпии при образовании вещества

Вещество	NH3	H2O	NO
	-45.94	-241.81	91.26

Общий приход тепла в контактный аппарат:


Расход тепла

С сеток контактного аппарата тепло уносится нитрозными газами, а также происходят частичные потери тепла в окружающую среду через стенку контактного аппарата. Если не учитывать теплопотери, то количество тепла, уносимого нитрозными газами, равно общему приходу тепла в контактный аппарат.

Кроме того, количество тепла, уносимого нитрозными газами, может быть рассчитано по формуле:



где: – теплоемкость i-го компонента нитрозного газа при температуре , Дж/(моль·К); - количество i-го компонента нитрозного газа, кмоль/ч; – температура нитрозных газов на выходе с сеток контактного аппарата, °С.

Зная количества компонентов нитрозного газа, а также средние теплоемкости компонентов, количество тепла, уносимое нитрозными газами, можно записать в следующем виде:



Решая это уравнение относительно , можно определить температуру нитрозных газов на выходе с сеток контактного аппарате, которая составляет 878°С.

Теплоемкости нитрозных газов на выходе из контактного аппарата:








Таблица 12

Теплоемкости компонентов нитрозного газа на выходе из контактного аппарата

Компонент	NO	O2	N2	H2O
Теплоемкость, Дж/(моль·К)	33,727	35,081	32,799	42,363

Теплопотери:



Тогда, расход тепла составляет:



Результаты расчетов заносим в таблицу.

Таблица 13

Тепловой баланс стадии окисления аммиака кислородом воздуха

ПРИХОД			РАСХОД
Статьи прихода	МДж/ч	%	Статьи расхода	МДж/ч	%
Тепло вносимое АВС	54899,62	22,2	Тепло уносимое нитрозными газами	246560,197	99,7
Тепло химической реакции	192367,86	77,8	Теплопотери	707,283	0,3
Всего:	247267,48	100	Всего:	247267,48	100

3. 
   Конструктивный расчет контактного аппарата
   
   1. 
      Гидравлический расчет контактного аппарата
      

Контактный аппарат представляет собой толстостенный цилиндрический реактор с круглой выпуклой крышкой и днищем. Стенка реактора футерована изнутри огнеупорным кирпичом. В рубашку аппарата подается воздух, который смешивается с аммиаком в смесителе, всторенным в контактный аппарат. Внутри аппарата под контактными сетками размещены 52 фильтра тонкой очистки аммиачно-воздушной смеси и розжиговое устройство. Платиноидные сетки укладывают на колосниковую конструкцию. В стационарное розжиговое устройство подается азотоводородная смесь. Расчетное давление 0,394 МПа, давление гидроиспытания 0,739 МПа, температура на катализаторе 850-880°С [6].

Время соприкосновения газа с катализатором определяется по формуле:



где: = 96% - степень конверсии аммиака.



С другой стороны:



где: – свободный объем катализатора, м³; – объемная скорость газа в условиях контактирования, м³/с.



где: f = (1-1,57d^√n); s – площадь одной сетки, м²; d = 0,009 см – диаметр проволоки сеток; m – число сеток в аппарате, m = 7; n = 1024 – число плетений сетки на 1 см².



где: V₀ = – часовой расход аммиачно-воздушной смеси.

Т_к = 851 + 273 = 1124 К, Р_к = 0,35 МПа – давление контактирования, Р = 0,10133 МПа – нормальное атмосферное давление.


Подставим в формулу для и выразим площадь сетки s:





Диаметр сетки равен:



С учетом закрепления сеток между фланцами их диаметр увеличивается на 0,08 м:



Диаметр катализаторных сеток, применяемых в контактном узле агрегата АК-72М с учетом их крепления между фланцами равен 3,9 м.

Принимаем к постановке контактный узел, состоящий из 2-х контактных аппаратов, работающих совместно с котлами-утилизаторами. Диаметр корпуса аппарата 4 м. Свободный диаметр катализаторных сеток:

3,9 – 0,08 = 3,82 м.

Площадь сетки:



Свободный объем катализатора:





Время контактирования:



Масса 1 м² сетки составляет 871 г. Масса всех сеток в аппарате равна 11,5 · 7 · 0,871 = 70 кг.
Напряженность 1 г платины, выраженная в кг аммиака, сжигаемого в сутки:



Высота реакционной среды:

2. 
   Расчет теплообменного аппарата
   

Разность температур теплоносителей является движущей силой любого процесса теплообмена. Обозначим массовые расходы теплоносителей через G₁ и G₂ (кг/ч), их удельные теплоемкости – С₁ и С₂ (Дж/кг·К), а их температуры входа и выхода из теплообменного аппарата – через t_{1 нач} , t_{1 конеч.} , t_{2 нач} , t_{2 конеч.}. Для процесса испарения G₂ кг/с жидкости с начальной температурой t₃ и начальной удельной теплоемкостью С₂ потоком жидкости (газа) G₁ кг/с с удельной теплоемкостью С₁ начальной t₁ и конечной t₂ температурами получим:



где: – энтальпия образования пара.

В подавляющем большинстве случаев температуры сред в процессе теплопередачи будут изменяться в результате происходящего теплообмена, а следовательно, будет изменяться и разность температур вдоль поверхности теплообмена. Поэтому рассчитывают среднюю разность температур по длине аппарата Δt_ср но так как это изменение не линейно, то рассчитывают логарифмическую разность температур [7].



где: – большая и меньшая разности температур на концах теплообменника.

35 воздух 200°С →

← 250 нитрозные газы 350°С

Δt_б = 215 °С Δt_м = 150 °С

Рассчитаем среднюю температуру каждого теплоносителя:





Теплофизические свойства теплоносителей при их средних температурах представлены в таблице 14 [5].

Таблица 14

Теплофизические свойства воздуха и нитрозных газов

Физические величины	Воздух	Нитрозные газы
	t = 118°C	t = 300°C
Плотность, кг/м3	ρ = 916,5	ρ = 922,8
Теплоемкость, кДж/(кг*К)	Св = 1009	Сг = 1169
Кинематическая вязкость м2/с	0,421*10-6	0,280*10-6
Коэффициент теплопроводности, Вт/(м*К)	0,324	0,140
Число Прандтля	6,31	2,21

Рассчитаем тепловую нагрузку аппарата, установим 2 теплообменника для подогрева воздуха:



где: i – энтальпия воздуха равная: i = tkip*c = 200 * 1850 = 3,7 * 10⁵.

C_в – теплоемкость воздуха, Дж/(кг*К),

t_вн – начальная температура воздуха, °С.

Для определения количества трубок зададимся скоростью движения воздуха в трубках w = 6 м/с и определим режим течения воздуха в трубке:



где: – скорость воздуха в трубках, м/с; – внутренний диаметр трубок, м; – коэффициент кинематической вязкости воздуха, Па·с.

Критерий Рейнольдса Re > 10000, следовательно, режим течения – турбулентный.

Для заданного наружного диаметра трубок и схемы движения теплоносителей (внутри трубок движется воздух) определим общее количество трубок в трубной решетке:



При ромбическом расположении труб в трубной решетке действительное значение количества труб n = 37 и относительный диаметр трубной решетки d_mp/t=6. Шаг между трубами d_нар = 14 мм равен t = 21 мм.

Определим диаметр трубной решетки:



Определим внутренний диаметр корпуса аппарата:



где: k – кольцевой зазор между крайними трубками и кожухом принимается равным 10 мм.

Из стандартного ряда диаметров выбираем D = 200 мм [7].

Трубки изготавливают толщиной δ_ст = 1 мм.

Определим число шестиугольников для размещения труб при расположении труб по вершинам равностороннего треугольника:



Число труб по диагонали наибольшего шестиугольника составит:



Общее число труб в шестиугольниках:





Найдем критерий Нуссельта по ранее определенному турбулентному режиму течения по формуле [8]:




где: Pr – число Прандтля для воздуха в зависимости от температуры; – поправочный коэффициент, при соотношении длины трубок к их диаметру 1/d>50, =1.

Из уравнения Нуссельта определим коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности стенки трубок к воздуху:





Для нахождения скорости движения нитрозного газа в межтрубном пространстве, необходимо рассчитать площадь межтрубного пространства и площадь, занятую трубами.

Площадь поперечного сечения корпуса с D = 0,2 м:





Площадь занятая трубами:





Площадь межтрубного пространства:



Скорость нитрозного газа в межтрубном пространстве:





Для определения коэффициента теплоотдачи от нитрозного газа к трубкам найдем число Рейнольдса:





где: – эквивалентный диаметр, м, рассчитываем по формуле:



где: U – cмоченый периметр, вычисляется по формуле:





Найдем критерий Нуссельта:





Тогда коэффициент теплоотдачи от греющего теплоносителя к стенке трубок:



Коэффициент теплопередачи через стенку трубки вычисляем по формуле:





где: – толщина стенок трубок, м; – теплопроводность материала трубок Вт/(м·°С); – 0,00033 м²·°С/Вт – термическое сопротивление загрязнения трубок.

Поверхность нагрева подогревателя:



где: – средняя логарифмическая разность температур, определяемый по формуле для различных схем движения теплоносителей прямоток или противоток:



Длина трубок:



где: = ( / 2 = (0,014+0,016)/2=0,015м.



Для расчета диаметров штуцеров аппарата применяем скорость газа в штуцере нагреваемой нитрозного газа w₁ = 6 м/с и в штуцере воздуха w₂=6м/с получим:





Диаметр штуцера:





Принимаем диаметры штуцеров =50 мм; =65 мм.