Расход тепла в колонне синтеза

Потери тепла в окружающую среду принимаем 1,25% от общего прихода тепла в колоний, тогда количество тепла па выходе из колонны составляет:

Q_вых = Q_пр×0,9875 = 162065471×0,9875 = 160034653 кДж.

Температура газовой смеси на выходе из колонны синтеза:

°С.

где 10440,91 - количество газовой смеси на выходе из колонны, кмоль/ч; 34,69 — теплоемкость газовой смеси на выходе из колонны, кДж/(кмоль×°С).

Теплоемкость газовой смеси при 380°С рассчитывается подобно (теплоемкости при 170°С):

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

 

Перепад давления по системе

Давление в системе синтеза NН₃ изменяется от 34,32×10⁶ (350) до 31,87×10⁶ Па (325 ат) за счет сопротивления прохождения газа по системе, а также конденсации газообразного NН₃.

Ввиду незначительного изменения давления на участках колонны синтеза, парового котла-утилизатора, горячего теплообменника с некоторой погрешностью принимаем давление 34,32×10⁶ Па, и водяном теплообменнике — 32,85×10⁶ Па (335 ат), в холодном теплообменнике — 32,55×10⁶ Па (332 ат), а после межтрубного пространства холодного теплообменника — 31,87×10⁶ Па (325 ат). С этим давлением газ поступает на компримирование до давления 34,32×10⁶ Па.

 

Расчет котла-утилизатора

Паровой котел-утилизатор служит для охлаждения циркуляционного газа, выходящего из колонны синтеза NH₃, и получения пара. Котел горизонтальный, газотрубный, состоит из четырех параллельных вертикально расположенных секций-испарителеи с экономайзерами и паросборника над секциями (рис. 29).

В трубном пространстве находится азотоводородоаммиачная смесь, в межтрубном пространстве и паросборнике — вода и пар. Давление в трубном пространстве 34,33×10⁶ Па (350 ат), в межтрубном пространстве и паросборнике 3,9710⁶ Па (40,55 ат). Температура в трубном пространстве 380°С, а в межтрубном пространстве и паросборнике 250°С.

Размеры паросборника и экономайзера:

	Паросборник	Экономайзер
Длина, мм Внутренний диаметр, мм Толщина стенки, мм Объем паросборника, м^3 Толщина трубки, мм Длина U-образных трубок (средняя) Количество трубок в секции	9,6 - - -	- 30×4,5

 

Поверхность теплообмена одной секции, включающей экономайзер и испаритель, составляет 63,5 м².

Газ с температурой 380°С поступает и котел-утилизатор, где охлаждается до 190°С. За счет отдачи тепла питательная вода, поступающая в котел с температурой 100°С, превращается в пар с давлением 3,97×10⁶ Па (40,55 ат) и температурой 250°С.

Количество тепла, идущее на образование пара:

Q = 10440,91×(380×34,69-190×42,96) = 60945191 кДж/ч = 16929219 Вт,

где 380, 190 – температуры газа на входе и выходе из котла, °С; 34,69 и 42,96 – теплоемкости газовой смеси на входе и выходе из котла, кДж/(кмоль×°С).

Примем, что теплопотери составляют 5% от количества тепла:

60945191×0,05 = 3047259,5 кДж/ч = 846460,95 Вт.

Количество тепла, идущее на получение пара:

60945191×0,95 = 57891935 кДж/ч = 16082759 Вт.

Определяем количество пара G:

кг/ч = 24,414 т/ч.

Здесь 2790,2 - энтальпия водяного пара при 3,97×10⁶ Па (40,55 ат) и 250°С, кДж/кг; =418,7 - энтальпия воды при 100°С, кДж/кг. Количество воды, поступающее на питание парового котла, соответствует количеству пара.

Определение поверхности теплообмена котла-утилизатора

Объем газа, проходящего по трубкам при Р = 34,33×10⁶ Па (350 ат) и средней температуре

°С

За 1 ч составляет:

м³,

где 271957,5 - количество газовой смеси на входе в котел-утилизатор, м³; 2,253 - коэффициент сжимаемости смеси при данных условиях.

Скорость газовой смеси в трубках

м/с,

0,021 - внутренний диаметр газовой трубы, м; 4 — число секций, 24 - число трубок в секции.

Плотность газовой смеси:

кг/м³,

где 137301,05 - масса газовой смеси, поступающей в котел-утилизатор, кг.

Вязкость газовой смеси при Р = 34,33×10⁶ Па и t_ср=285°С равна m=22,81×10^-6 Н×с/м².

Теплопроводность смеси при этих же условиях l=137×10^-3 Вт/(м×°С).

Теплоемкость газовой смеси С_р285 можно рассчитать, суммируя теплоемкости компонентов:

;

;

;

;

;

кДж/(кмоль×°С).

Коэффициент теплоотдачи от газа к стенке трубы

(31)

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,023×Re^0,8×Pr^0,4. (32)

Критерий Рейнольдса:

. (33)

Критерий Прандтля:

. (34)

Nu = 0,023×1067690^0,8×0,573^0,4=1226,47.

Теплоемкость 1 кг газовой смеси равна:

С_р=39,0/11,35=3,44 кДж/(кг×°С).

Коэффициент теплоотдачи в трубках

Вт/(м²×°С).

Средняя температура воды на линии насыщения

°С

Средняя разность температур в котле-утилизаторе:

380 190

250 100

Dt_б=130 Dt_м=90

Dt_ср= °С.

Коэффициенты теплоотдачи для испарительной и экономайзерной зон в межтрубном пространстве по практическим данным соответственно равны a₂^и = 12400 Вт/(м²×°С) и a₂^э =5700 Вт/(м²×°С).

При этом общие коэффициенты теплопередачи составляют,

для испарителя

Вт/(м²×°С).

для экономайзера

Вт/(м²×°С).

Для расчета принимаем среднее значение общего коэффициента теплопередачи, равное 729,8 Вт/(м²×°С).

Необходимая поверхность теплообмена в котле-утилизаторе равна:

м², (35)

где 110 - средняя разность температур в котле-утилизаторе, °С. В принятом котле-утилизаторе поверхность теплообмена составляет 254 м².

Запас поверхности равен:

%.