а) сжижение осушенного хлора в конденсаторах;

б) хранение жидкого хлора;

в) испарение жидкого хлора;

г) налив жидкого хлора в железнодорожные цистерны.

Сжижение осушенного хлора в конденсаторах производится следующим образом: сжатый до 0,3 МПа осушенный хлоргаз из цеха диафрагменного электролиза подается на сжижение в конденсатор поз. 2. Хлоргаз поступает в трубное пространство конденсаторов, а в межтрубное пространство подается рассол-раствор хлористого кальция с температурой минус 28 °С и давлением 0,4 МПа из аммиачно-холодильного цеха. Сконденсировавшийся в трубном пространстве жидкий хлор с абгазами, образовавшимися от неполного сжижения хлора, поступает в абгазоотделитель поз. 3, в котором жидкий хлор отделяется от абгазов конденсации.

Абгазы конденсации, содержащие не менее 65% хлора, подаются из верхней части абгазоотделителя потребителям, а жидкий хлор самотеком сливается в танки поз. 8.

Сжижение ведется таким образом, чтобы содержание водорода в абгазах не превышало 4% объемных. Регулирование содержания водорода в абгазах производится изменением расхода рассола на конденсаторы, т.е. изменением температуры сжижения, а также изменением давления в системе.

Далее жидкий хлор поступает на хранение. Жидкий хлор самотеком сливается в танк из абгазоотделителей. Давление в танке должно быть от 0,03 до 0,05 МПа ниже, чем в абгазоотделителях.

Избыточное давление, создаваемое в танках поступающим жидким хлором, беспрерывно стравливается в линию абгазов конденсации и далее потребителю. Для подготовки танков к ремонту предусмотрено стравливание избыточного давления в линию абгазов и далее на очистку от хлора в отделение корпуса 107 на абсорбцию.

Для обеспечения необходимого запаса хранения жидкого хлора в отделении установлено 5 танков поз.8 емкостью по 125 куб.м. каждый.

Один из пяти танков является резервным и не подлежит заполнению.

Из танков жидкий хлор передавливается с помощью сухого азота давлением 1,2 МПа на испарительную станцию и на налив в железнодорожные хлорные цистерны. Контроль за поступлением жидкого хлора в танк осуществляется по прибору КИП. Наполнение танка жидким хлором производится по 1,25 кг жидкого хлора на 1 литр сосуда и составляет 156 т.

Часть полученного жидкого хлора отправляется на испарение. Узел испарения предназначен для испарения хлора и подачи его внутризаводским потребителям.

Жидкий хлор из танков давлением азота до 1,2 МПа подается в испаритель поз.4. Испаритель представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат, заполненный водой. Внутри аппарата размещен змеевик, по которому проходит и испаряется жидкий хлор.

Температура воды в испарителях поддерживается автоматически в пределах не более плюс 70 °С поступающим острым паром. Выходящий из змеевика испаренный хлоргаз с температурой не более плюс 65 °С под давлением 0,4 МПа поступает потребителю.

После завершения всех стадий переработки хлора жидкий хлор поступает на налив в желез,нодорожные цистерны. Налив в железнодорожные цистерны должен вестись в соответствии с действующей инструкцией по безопасной эксплуатации цистерн, контейнеров (бочек) и баллонов для жидкого хлора.

Готовая цистерна для наполнения жидким хлором устанавливается на весы. Башмаки устанавливаются на рельсы с обеих сторон весов в упор к колесам цистерны. Все вентили на верхнем люке цистерны должны быть закрыты. Со стороны железнодорожного пути должны быть поставлены сигналы размером 400x500 мм с надписью "Стой, проезд запрещен, производится налив цистерны".

Стрелку железнодорожного пути запереть на замок.

Цистерну наполняют через сифонный вентиль. Масса нетто заполненной цистерны 46700 кг (при емкости котла 38,1 куб.м.). При наполнении цистерны сброс абгазов производится через один из двух абгазных вентилей, к которому присоединен абгазный трубопровод. Во время налива давление в цистерне не должно превышать 0,7 МПа по манометру на цистерне. После налива цистерны необходимо произвести проверку герметичности запорных вентилей, предохранительного клапана и всех фланцевых соединений. Проверка производится аммиаком. При обнаружении пропусков они должны быть ликвидированы. Только после этого можно продолжать налив цистерны. При обнаружении неисправности в заполненной цистерне жидкий хлор необходимо передавить обратно в танк сухим азотом давлением 0,12 МПа.

После окончания наполнения цистерны абгазную и наливную линии продуть сжатым азотом со сбросом на очистку абгазов. Все вентили на цистерне и на линиях закрыть, отсоединить абгазную и сливную линии. На вентили цистерны и на линиях ставятся заглушки.

Обслуживающий цистерну персонал должен иметь при себе противогазы и надевать их при наличии или возможном выделении газа. При наполнении цистерны при отсоединении линий, при установке заглушек на вентилях цистерны и на трубопроводах хлора работу необходимо вести в противогазах и в рукавицах. Ответственным лицом за соблюдение всех правил при наполнении цистерны является старший аппаратчик отделения.

3.2 Подготовка исходных данных для технологических расчетов

Для проведения технологического расчета теплообменного аппарата в отделении жидкого хлора ЗАО "Каустик" необходимо определить параметры исходного сырья и получаемых продуктов переработки.

В качестве горячего теплоносителя используется хлоргаз, поступающий в трубное пространство конденсатора.

В качестве холодного теплоносителя применяется раствор хлористого кальция.

Из отделения диафрагменного электролиза электролитический хлоргаз поступает в отделение конденсации жидкого хлора со следующими режимными параметрами:

а) температура, °С 30

б) давление, МПа 0,21

в) количество хлоргаза поступающего в конденсатор, м³/ч 3340

В данном состоянии хлор имеет плотность:

=4,11 кг/м³

На выходе из конденсатора жидкий хлор имеет температуру минус 26,7 °С.

Коэффициент сжижения, % 79

Рассол, поступая в конденсатор, имеет температуру минус 30 °С и нагревается до температуры минус 27 °С.

Рассол подается под давлением, МПа 0,3

3.3 Расчет тепловой нагрузки конденсатора

Примем индекс “1” для горячего теплоносителя (хлоргаза), индекс “2” для холодного теплоносителя (рассола).

Среднюю температуру t₂, °С, рассола определяем согласно [19,С.214]:

t₂ = 0,5( t_2n + t_2k ), (3.1)

где t_2n - температура рассола на входе, °С;

t_2k - температура рассола на выходе, °С.

t₂ = 0,5[(-30) + (-27)] = -28,5 °С.

Среднюю температуру хлоргаза, t_l, °C, определяем согласно [19,С.214]:

t_l - t₂ + dt_cp, (3.2)

Среднюю разность температур при противотоке теплоносителей dt_cp, °C, определяем согласно [19,С.214]

dt_cp = ( dt_б - dt_м ) / ln ( dt_б / dt_м ), (3.3)

где dt_б - большая разность температур, °С;

dt_м - меньшая разность температур, °С.

Для определения большей и меньшей разностей температур, рассмотрим температурные переходы при теплопередаче

хлоргаз

+30 ———> -26,7

рассол

-27 <——— -30

dt= 57 dt= 3,3

Соответственно принимаем:

dt_б = 57 °C dt_м = 3,3 °C

Тогда средняя разность температур при противотоке составит:

dt_cp = ( 57- 3,3 ) / ln ( 57 / 3,3 ) = 18,85 °С

Средняя температура хлоргаза составит:

t₁ = -28,5 + 18,85 = -9,65 °С

С учетом потерь холода в размере 5%, тепловую нагрузку определяем согласно [19,С.45]:

Q = 1,05 U_{1 1}( H_lн – c₁ t_1к ), (3.4)

где Q - тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

U₁ - объемный расход хлоргаза, м³/ч;

₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг/м³;

Н_1н - энтальпия перегретого пара хлоргаза, Дж/кг;

c_l - удельная теплоемкость хлоргаза, Дж/(кг£);

t_1k - конечная температура хлора, С.

Согласно исходных данных объемный расход хлоргаза:

U₁ = 3340 м³/ч

Согласно [2,С.10] плотность хлоргаза при его средней температуре составит:

р₁ = 4,11 кг/м³.

Согласно [2,С.10] энтальпия перегретого пара хлоргаза составит:

Н_1н= 529000 Дж/кг

Согласно [2,С.12] удельная теплоемкость хлоргаза составит:

c_l = 355 Дж/(кг°С)

Тепловая нагрузка конденсатора:

Q = 1,05 3340 4,1 [52900 - 355 (-26,7)] /3600 = 231860,9 Вт

Массовый расход холодного теплоносителя G₂, кг/с, определили согласно [17,С.19]:

G₂ = Q / с₂ (t_2k - t_2h); (3.5)

где Q - тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

с₂ - удельная теплоемкость рассола, Дж/(кг°С);

t_2k - температура рассола на выходе из конденсатора, °С;

t_2h - температура рассола на входе в конденсатор.

Удельная теплоемкость рассола с₂, Дж/(кг°С), определили согласно [2,С.15]:

с₂ = 2706,74 Дж/(кг°С)

G₂ = 231860,9 / ( 2706,74 [ (-27) - (-30) ] ) = 28,56 кг/с

Массовый расход хлоргаза, G₁, кг/с, определили согласно [19,С.216]:

G_l = U_{1 1}, (3.6)

где U₁ - объемный расход хлоргаза, м3/ч;

₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг/м³.

Объемный расход хлоргаза приняли:

U₁ = 3340 м³/ч

Согласно [2,С.10] плотность хлоргаза при его средней температуре составит:

р₁ = 4,11 кг/м³

Массовый расход хлоргаза составит:

G₁ = 3340 4,11 / 3600 = 3,54 кг/с

Объемный расход рассола определяем согласно[16,С.216]:

U₂ = G₂ / p₂ (3.7)

где G₂ – массовый расход рассола, кг/с;

р₂ - плотность рассола при температуре минус 28,5 °С.

Массовый расход рассола определили в формуле (3.5) настоящего диплома:

G₂ = 28,56 кг/с

Определим варианты теплообменных аппаратов согласно ГОСТ 15118, ГОСТ 15120 и ГОСТ 15122.

Для этого приняли ориентировочно значение площади поверхности теплообмена, полагая что, согласно [12,С.47] коэффициент теплопередачи:

К_ор = 60 Вт / (м °С)

т.е. приняв его таким же, как и при теплообмене от газа к жидкости.

Согласно [19,С.216] ориентировочная площадь поверхности F_ор теплообмена в конденсаторе:

F_ор = Q / ( К_ор dt_ср ) (3.8)

где Q – тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

К_ор – значение ориентировочного коэффициента теплопередачи, Вт/(м°С);

t_ср – средняя разность температур при противотоке, °С.

Тепловую нагрузку конденсатора определили в формуле (3.4) настоящего диплома:

Q = 231860,9 Вт

Согласно [12,С.47] значение ориентировочного коэффициента теплопередачи от газа к жидкости:

К_ор = 60 Вт/ (м °С)

Среднюю разность температур при противотоке теплоносителей определили в формуле (3.3) настоящего диплома:

dt_cp = 18,85 °С

Ориентировочная площадь поверхности теплообмена в конденсаторе:

F_op = 231860,9 / ( 60 18,85 ) = 215,6741 м² = 216 м²

Согласно ГОСТ 15118, ГОСТ 15120 и ГОСТ 15122 наметили наиболее оптимальные варианты теплообменных аппаратов для полученной площади теплообмена

где 1 - диаметр кожуха D_k, мм;

2 - диаметр труб, мм;

3 - число ходов;

4 - общее число труб в штуках;

5 - площадь теплообмена при длине трубы, указанной под индексом 9, м²;

6 - площадь поперечного сечения потока в вырезе перегородок, м²;

7 - площадь поперечного сечения потока между перегородками, м²;

8 - площадь поперечного сечения одного хода по трубам, м².

Произвели выбор теплообменника с площадью теплообмена, наиболее приближенной к ориентировочной, т.е.:

F =226 м².

3.4 Расчет гидравлического сопротивления кожухо-трубчатого теплообменника

Скорость движения горячего теплоносителя в трубах определили согласно [12,С.68]:

W_тр = 4 G_тр z / (П d n _тр) (3.9)

где G_тр - массовый расход хлоргаза, кг/с;

z - число ходов;

d - внутренний диаметр трубки, м;

n - число труб в пучке;

_тр – плотность теплоносителя, текущего в трубах, кг/м³.

Массовый расход хлоргаза, G_тp, кг/с, проходящего в трубах, определили в формуле (3.6) настоящего расчета:

G_тp = G₁ = 28,56 кг/с

Число ходов в теплообменнике приняли согласно ГОСТ 15120:

z = 1

Внутренний диаметр трубки приняли согласно ГОСТ 15120:

d = 0,021 м

Число труб в пучке приняли согласно ГОСТ 15120:

n = 465

Плотность теплоносителя, текущего в трубах, приняли согласно ГОСТ 15120:

_тр = 4,11

Скорость движения горячего теплоносителя, W_тр, м/с:

W_тр = 4 28,56 1 / (3,14 0,021 465 4,11) = 3,35 м/с

Число Рейнольдса определили согласно [12,С.13]:

Re = W_тp d_{э 1} / , (3.10)

где W_тp - скорость движения горячего теплоносителя в трубах, м/с;

d_э - эквивалентный диаметр, м;

₁ - плотность хлоргаза при его средней температуре, кг /м³;

- динамическая вязкость.

Скорость движения горячего теплоносителя в трубах определили в формуле (3.9) настоящего расчета:

W_тр = 3,35 м/с

Эквивалентный диаметр для круга диаметром d, м, определили согласно [12,С.14]:

d_э = d (3.11)

где d - внутренний диаметр трубки, м.

Согласно ГОСТ 15120 диаметр трубки d, м:

d = 0,021 м

Согласно [12,С.14] приняли:

d_э = 0,021 м

Плотность хлоргаза при температуре минус 9, 65 °С составляет:

₁ = 4, 11 кг/м³

Динамическая вязкость хлоргаза , Пас, согласно [19,С.257] составляет:

= 0,0000117 Пас

Число Рейнольдса:

Re = 3,35 0,021 4,11 / 0,0000117 = 24712,69

Полученное значение числа Рейнольдса показывает, что движение газа в трубах является турбулентным.

В турбулентном потоке различают три зоны; для которых коэффициент трения рассчитывают по разным формулам:

а) для зоны гладкого трения, когда:

2320 < Re < 10/е, (3.12)

б) для зоны смешанного трения, когда:

10 / е < Re < 560 / е, (3.13)

в)для зоны, автомодельной по отношению к Re:

Re > 560/е, (3.14)

Для зоны гладкого трения коэффициент трения составит:

= 0,316 / Re, (3.15)

Для зоны смешанного трения коэффициент трения составит:

= 0,11 (е + 68 / Re), (3.16)

Для зоны, автомодельной к числу Рейнольдса:

= 0,11 е (3.17)

В формулах (3.14) - (3.17) е является относительной шероховатостью и определяется согласно [12,С.14]:

е = / d_э, (3.18)

где - абсолютная шероховатость трубы, м;

d_э - эквивалентный диаметр, м.

Согласно [12,С.14] для новых стальных труб абсолютная шероховатость:

d_э = 0,00006 - 0,0001 м

Для расчета выбрали значение абсолютной шероховатости:

= 0,0001 м

Относительная шероховатость трубы составляет:

е = 0,0001 / 0,021 = 0,0048

Для расчета коэффициента трения произвели:

10 / е = 10 / 0,0048 = 2083,33

560 / е = 560 / 0,0048 = 116666,66

Определили сравнение, для коэффициента трения:

= 0,11 ( е + 68 / Re ) (3.19)

Коэффициент трения X составил:

= 0,11 (0,0048 + 68 / 24712,69 ) = 0,0008

4 Механическая часть

4.1 Выбор конструкционных материалов для проведения реконструкции

Для изготовления обечайки конденсатора при условии, что теплообменный аппарат работает с неагрессивной средой, выбрали металлические листы из стали 16ГС ГОСТ 5520. Для изготовления трубок применили конструкционную углеродистую качественную сталь 20 ГОСТ 914.

4.1.1 Таблицы химического состава и механических свойств конструкционных материалов

Химический состав стали 16ГС приведен в таблице 4.1.