126121 (Розрахунок колони синтезу аміаку продуктивністю 1360 т/добу)

Міністерство Освіти та Науки України

Одеський національний політехнічний університет

Хіміко технологічний факультет

Кафедра ТНРіЕ

Розрахункова пояснювальна записка до курсового проекту

за темою:

Розрахунок колони синтезу аміаку 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 підконтактного теплообмінника

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

Графічна частина

Вступ

У зв’язку з постійним збільшенням споживання аміаку народними господарствами багатьох держав світу , його синтез приносить матеріальну вигоду . В світі серед різних груп промислових систем найбільш поширені системи середнього тиску – до 75% світового виробництва. Це пояснюється оптимальним співвідношенням між затратами на компримування та циркуляцію і ефективністю обладнання . В цій курсовій роботі я проведу розрахунок і виберу основні технологічні і конструктивні характеристики апарата синтезу аміаку з конвертованого газу при тиску 30 МПа. Початкові дані , склад промислових газів , практичні дані з промислових установок будемо брати з літератури :

- Расчеты по технологи неорганических веществ : Учебное пособие/ Дыбина, Соловьева , Вишняк ; Под ред. Дыбиной.- М.:Высшая школа , 1967-522с.,

-Технология неорганических веществ и минеральных удобрений: Учебник для техникумов./Мельников Е.В., Салтанова В.П. и др-М.:Химия , 1983-432с.

1. Технологічна схема установки , подібні апарати в промисловості

Технологічна схема установки синтезу аміаку показана на рис 2 , а також в графічній частині. Свіжий газ поступає у вхід 9 , потім разом з циркулюючим газом йде в між трубний простір теплообмінника 1 конденсаційної колони . Частково охолоджена суміш поступає в змійовик випарника рідкого аміаку 4, де повністю охолоджується та конденсується. Утворена суміш потрапляє в сепаратор конденсаційної колони , звідки газова суміш по трубному простору теплообмінника 1 йде в центробіжний циркуляційний компресор 5 (до 3МПа). Сжата до робочого тиску суміш поступає в колону синтезу аміаку 6 , а з неї у водяний холодильник 7. В сепараторі продувки 8 від суміші відділяється рідкий аміак та виводиться з циклу частина газів , що необхідно для збереження постійного складу циркулюючого газу . Газ , що повертається в цикл , змішується з свіжим газом. Виділений в сепараторі 2 конденсаційної колони рідкий аміак потрапляє в випарник аміаку 4 , та , охолодив циркулюючий газ , виводиться у частково у вигляді газу частково у вигляді рідкого аміаку . Пари води ,що могли бути присутніми у свіжій газовій суміші розчиняються у рідкому аміаку і таким чином виводяться з циклу до вступу в контакт з каталізатором.

Колона синтезу аміаку складається з двох сосудів високого тиску, встановлених один на одного ; нижній сосуд 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 нижньому сосуді 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 чотири шари каталізатору , байпасні труби та відбійні перегородки. Основний потік газу в колоні синтезу проходить знизу вгору по кільцевому зазору між корпусом колони та кожухом каталі заторної коробки , а також корпусом колони та кожухом теплообмінника, захищаючи корпус від перегріву більш 200^оС , і після цього поступає в між трубний простір теплообмінника, нагріваючись в ньому до 420-440^оС . Для регулювання цієї температури є байпас , через який йде поток газу , оминаючи теплообмінник. Нагрітий газ проходить чотири шари каталізатору по трубі , розташованій в центрі каталі заторної коробки , піднімається вгору та поступає в трубки теплообмінника охолоджуючись в ньому до 330 ^оС , а потім виходить через верхній штуцер колони синтезу. Тепловідвідні трубки , розташовані в шарах каталізатора , в каталізаторній коробці даної конструкції відсутні. Замість них до газу , що проходить перший , другий , третій шар підмішують холодний байпасний газ , який знижує температуру азото-водневої суміші на вході в другий , третій та четвертий шари з 520-535 до 470-480^оС .Кожний з трьох байпасних потоків регулюється самостійно. Корпус каталізаторної коробки виготовлений з хромнікелевомолібденової сталі 1Х18Н12М2Т , теплообмінник –з 1Х18Н10Т. (5 стор123)

2. Вибір конструкційних матеріалів

Синтез аміаку проходить при температурі до 500^оС , отже конструкційний матеріал має бути жаростійкий і мати великий коефіцієнт пружності аби забезпечити порівняно менші витрати конструкційних матеріалів. Згідно ГОСТ 5632-72 застосуємо сталь з з чудовими характеристиками міцності для нашого випадку -12Х18Н10Т , яка стійка проти електрохімічної та хімічної корозії , а також міжкристалічної корозії.

3. Технологічний розрахунок

3.1 Матеріальний розрахунок агрегату синтезу аміаку

Вихідні дані (1)

Продуктивність агрегату (т/добу) ……………………..…..………1360

Робочий тиск (атм)………………………………………..………….300

Середня температура контактування ^оС………………...………….500

Температура первинної конденсації (в ^оС )……………..………..….-2

Температура вторинної конденсації (в ^оС )………………………….28

Сумарно концентрація аргону та 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 міститься 1кг Н₂О на 8000нм³.

Обємна швидкість газу на вході в колону (в нм³ на 1м³ каталізатора ) …24000

1. продуктивність агрегату за годину

1360/24=56.67т/год=56 667 кг/год

Подальший розрахунок проводимо на годинну продуктивність.

2) Продуктивність на 1м3 каталізатору- 24 000 нм3/год.

3) при об’ємній швидкості на вході 24000 нм³/год на 1м³ каталізатора об’ємна швидкість на виході складе близько 21000 нм³/год на 1м³ каталізатора. При 500^оС і 300 атм вміст аміаку в газі в лабораторних умовах 21.5% (рис 4)

4) Вміст аміаку в газі , поступаючому в колону синтеза , возначається умовами вторинної конденсації. При температурі вторинної конденсації -2 ^оС та тиску 280 атм концентрація аміаку визначиться по формулі Ларсона і Блека :

⁴с_NH3=3.08%

Зниження тиску проти 300 атм відбувається за рахунок опору , створюваного системою , так як циркуляційний компресор встановлений після конденсаційної колони.

5) Ефективний тиск в колоні знаходимо по рівнянню:

P_еф=⁴Р(1-⁴с_ин)²(1-⁴с_NH3)=300(1-0.070)²(1-0.0308)=252атм

Де с⁴_ин – сумарний вміст аргону та метану в газі – в об’ємних долях.

6) при 300 атм і 500^оС рівноважна концентрація аміаку 26.44% , а при 252 атм вона рівна 22.64% (додаток , рис 1)

7) Поправочний коефіцієнт на знаження ефективного тиску:

22.64/26.44=0.856

8)Концентрація аміаку на виході з колони синтезу з урахуванням поправочного коефіцієнта:

⁶С_аміак=21.5*0.856=18.4 %

9) Продуктивність 1 м³ каталізатора. На кожний кубічний метр каталізатору потрапляє ⁴W нм³/год газової суміші. Розрахунок проводим на 1нм³ газової суміші , тобто визначаємо кількість аміаку (в кг) , утворювану в колоні синтезу з 1 нм³ поступаючої газавої суміші. Отриманий результат перераховуємо на ⁴W нм³/год.

Формула для визначення кількості утвореного в колоні аміаку має вигляд:

кг NH3

на 1 нм³поступаючої газової суміші (3.1)

Звідси при поступанні ⁴W нм³/год газової суміші продуктивність каталізатору (в розрахунку на 1м³ каталізатору ) складе :

кг/год

10) Для отримання 56 667 кг аміаку в колону повинно поступати газової суміші:

11)Склад поступаючої суміші.за умовою, в газовій суміші , міститься 7% аргону і метану. Допускаємо , що :

⁴c_Ar=3.07% ⁴c_CH4=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 в колону співвідношення водню та азоту відповідає стехиометричному , а з урахуванням дещо більших втрат водню порівняно з азотом – 3.007 : 1. Таким чином , концентрація азоту:

Водню

Ці концентрації повинні бути провірені після розрахунку всього агрегату.

В поступаю чому газі міститься :

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 колони синтезу. 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=70 006 кг 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=113 406 кг або 128 058 -37 333 =91 392 нм³

Аргону

31 285 кг або 17 519 нм³

Метану

16 019 кг або 22 427 нм³

Загальний об’єм газової суміші 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 28 ^оС , 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 в аміаку не розчинні. Тоді об’єм газів , крім аміаку рівний:

496 671-92 243=404 428 нм³

Звідси об’єм газоподібного аміаку буде

Конденсується

92 243-33 493 = 58 794 нм³ або 44 568 кг аміаку.

Загальний об’єм несконденсованих газів

404 428 +33 493 =437 921 нм³

Парціальні тиски газів ( в атм):

Водень

290*273 089/437 254=181.1

Азот