Розрахунок підконтактного холодильника

Dр – коефіцієнт дифузії компоненту в рідині, м2/с; µр = 0,95٠10-3 -  в’язкість рідини, Па٠с;

ρр =999 - густина рідини, кг/м3;  S = 0,5 -  площа поперечного перерізу колони, м2; σ = 80 -  питома поверхня насадки, м2/м3; Ψ=1 - коефіцієнт змочуваності насадки.

Коефіцієнт дифузії метанолу у воді при 200С D20 = 0,002٠10-3 м2/с.

Перерахуємо до робочих умов:

Dt = D200 [1 + 0,02(t – 20)] = 0,002٠10-6[1+0,02(25-20)] = 0,0022٠10-6 м2/с.

Число Рейнольдса:

Rер = 4٠22,517/(0,5٠80٠1٠0,95٠10-3) = 9116,2.

Число Прандтля:

Рrр = 0,95٠10-3/(999٠0,0022٠10-3) = 0,4323.

Приведена товщина плівки:

δпл = [(0,95٠10-3)2 / (9992٠9,8)]1/3 = 45,19٠10-6 м.

Число Нусельта:

Nuр = 0,0021٠9116,20,75٠0,43230,5 = 1,289.

Коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі:

βу = 1,289٠0,0022٠10-3/(45,19٠10-6) = 0,0627 м/с.

Виразимо βх в обраній для розрахунку розмірності:

βх = 0,0672(ρр - ) = 0,0672(999 – 0,1623) = 67,12 кг/(м2٠с).

де = = =999٠0,0001625/1,0001625=0,1623 кг/м3 – середня об’ємна масова концентрація метанолу в рідині; - середня відносна масова концентрація метанолу у рідині.

Коефіцієнт масопередачі, поверхня масообміну і висота абсорбера

Коефіцієнт масопередачі знайдемо з рівняння адитивності фазових дифузійних опорів:

Ку = 1/(1/βу + m/βх),     (29)

де βх і βу – коефіцієнти масовіддачі відповідно у рідкій і газовій фазах, кг/(м2٠с);

m = 0,24 - коефіцієнт розподілу.

Ку = 1/(1/0,4215 + 117,99/67,12) = 0,243 кг/(м2٠с).

Поверхня масообміну з основного рівняння масопередачі:

F = М/(Ку٠ ) = 0,00734/(0,243٠0,00427) = 7,07 м2.

Висота насадки:

Нн = F/ (0,785 σd2Ψ) = 7,07/(0,785٠80٠0,42٠1) = 0,7 м.

Загальна висота насадкової колони:

Н = Нн + h1 + h2 ,    (30)

де h1 - відстань від верху насадки до кришки абсорбера; h2 - відстань між днищем абсорбера і насадкою. За рекомендацією [2] приймаємо h1 = 2 м; h2 = (1÷1,5)d = 1,5d = 1,5٠0,4 = 0,6 м.

Відношення висоти насадки до діаметра колони Н/d=3,7/0,8=4,625

Над верхнім шаром насадки встановлюємо розподільну тарілку ТСН-III. Тоді Н = 0,7 + 2 + 0,6 = 3,3м.

 

 

 

4.2. Гідравлічний розрахунок

Опір зрошуваної насадки при плівковому русі розрахуємо за емпіричним рівнянням

ΔРзр=  ΔРс٠10bU,     (30)

де      ΔРс - опір сухої насадки, Па; b – дослідний коефіцєнт; U = 4,1٠10-3 - густина зрошування, м3 / (м2·с). Постійна b залежить від типу насадки та її укладання; для неупорядкованої насадки з кілець Рашига [1] b = 169.

Гідравлічний опір сухої насадки ΔРс визначимо за рівнянням:

ΔРс = λ ,    (31)      де  λ – коефіцієнт опору; dе = 0,036 -  еквівалентний діаметр насадки, м; w0 = w/ε  – швидкість газу у вільному січенні насадки (в м/с), w – фіктивна швидкість газу в колоні; ε – питомий об’єм насадки  м3/м3.

w0 = w/ε = 0,176/0,72 = 0,244 м/с.

З попередніх розрахунків  Rег =3501,4.

При турбулентному русі (Rег > 40) :        

λ = 16/ = 16/3501,40,2 = 3,1.   (32)

Гідравлічний опір сухої насадки:

ΔРс = 3,1  = 12,67 Па.

Гідравлічний опір зрошуваної насадки:

ΔРзр = =   2,24 Па

 

4.3. Конструктивний розрахунок

 

Товщина обичайки:

,    (33)

де D = 0,8 м – внутрішній діаметр апарату;

р = 0,02 МПа – надлишковий тиск в апараті;

[σ] = 230 МПа – граничне напруження для сталі Х18Н10Т;

φ = 0,8 – коефіцієнт послаблення  обичайки із-за зварного шва;

Ск = 0,001 м – добавка на корозію.

 

= 0,001 м.

Відповідно до рекомендацій [2 ] приймаємо товщину обичайки δ = 8 мм.

Опорна решітка

 Шар насадки розташовується  на опорній решітці, конструкція 

 якої показана на рис. 2: 

   

Рис. 2. Конструкція опорної решітки

 

           Для  завантаження й вивантаження  шару насадки в корпусі колони  повинні бути передбачені два люки: один - під розподільною  тарілкою, другий над опорною решіткою.

           Діаметр люка для колон діаметром  400 мм - 100 мм.    

 

Днища

Найбільше поширення в хімічному машинобудуванні одержали еліптичні відбортовані днища за ГОСТ 6533 – 78, товщина стінки днища  d = 6 мм                      

        .

Рис. 3. Еліптичне днище

 

Маса днища mд = 9,9 кг.

Фланці.

Сполука царги із днищами здійснюється за допомогою плоских приварних фланців по ОСТ 26-428-79  [4]:

   

Рис. 4. Фланці

 

 Штуцери.

Діаметр штуцерів розраховується по формулі:

                        d = ,    (34)

де G - масова витрата, кг/с

       ρ – густина  речовини, кг/м3

       w - швидкість руху  речовини в штуцері.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері w = 1 м/с, а для газової суміші w = 25 м/с, тоді :

діаметр штуцера для входу й виходу води:

           d1,2 = (22,517/0,785×1×999)0,5 = 0,170м,

приймаємо d1,2 = 170 мм.

діаметр штуцера для входу й виходу газової суміші:

d3,4 = (0,1573/0,785×25×7,08)0,5 = 0,034 м,

приймаємо d3,4 = 34 мм.

Усі штуцери забезпечуються плоскими приварними фланцями за ГОСТ   12820-80, конструкція й розміри яких показані нижче:

Рис. 5. Фланці штуцерів

 

dусл	D	D2	D1	h	n	d
219	315	280	258	15	8	16

 

Приймаємо усі 4 штуцери діаметром 219 мм. Розрахунок опори.

Апарати вертикального типу із співвідношенням Н/D > 5, які розташовують на відкритих площадках, оснащують циліндричними опорами, конструкція яких показана на рис. 6.

 

                              Рис. 6. Циліндрична опора апарата

 

Розрахуємо орієнтовну масу апарата.

Маса обичайки:

mоб = 0,785( )Нзρ,   (35)

         де Dз = 0,416 м – зовнішній діаметр колони; Dвн = 0,4 м – внутрішній    діаметр колони;

             Нз = 3,3 м – висота циліндричної частини колони; ρ = 7900 кг/м3 – густина сталі.

mоб = 0,785(0,4162-0,42)3,3·7900 = 267,19  кг.

Позначимо: m1 – маса тарілки ТСН – ІІІ, кг; m2 –маса пари фланців, кг; m3 – маса опорної решітки, кг; m4 – маса днища, кг;   m5 – маса кришки, кг;   m6 – маса насадки, кг.

За даними [8]: m1=7,6 кг;m2 =20 кг;  m3 = 9,5 кг;m4 = 9,9 кг; m5 = 36,6 кг.

Підрахуємо масу насадки.

Насипна густина насадки ρн = 530 кг/м3;

m6 = 0,785 d2Нρн = 0,785٠0,42٠0,7٠530 = 46,6 кг.

Маса води у вільному об’ємі насадки при гідровипробовуванні m7 = 0,785 d2Нн ρвε = 0,785٠0,42٠0,7٠1000٠0,72 = 63,3 кг. (ρв – густина води).

Орієнтовна маса води (при гідро випробовуванні) в об’ємі колони, не зайнятому насадкою: m8 = 0,785٠d2(Н – Нн)ρв = 0,785٠0,42٠(3,3–0,7)٠1000 = 326,56 кг.

Загальна маса колони із запасом 10% (на люки, штуцери, вимірювальні прилади тощо) mк = 1,1(mоб + m1 + m2 + m3 + m4 + m5 + m6 + m7 + m8) =

= 1,1(267,19 + 7,6 + 20 + 9,5 + 9,9 + 36,6 + 46,6 + 63,3 + 326,56) = 866 кг.

 Загальна вага колони:   G = mкg = 866٠9,8 = 8486,5 Н.

Приймемо внутрішній діаметр опорного кільця D1 = 0,5 м; зовнішній діаметр опорного кільця D2 = 1,2 м.

Площа опорного кільця

                           S = 0,785(D22 – D12) = 0,785(1,22 – 0,52) = 0,93 м2.

Питоме навантаження опори на фундамент

       σ = G/S = 8486,5/ 0,93 = 9125,3 Па = 0,009 МПа.

Допустиме питоме навантаження на бетонний фундамент [2] σф = 15 – 25 МПа.

Таким чином, σ < σф.

 

5. РОЗРАХУНОК ПІДКОНТАКТНОГО ХОЛОДИЛЬНИКА

 

5.1. Технологічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення запасу поверхні теплопередачі при новій продуктивності.

Підконтактний холодильник призначений для швидкого охолодження контактного газу до температури 140 – 200°С у запобіганні розкладання формальдегіду, що утворився.

Для установки обраний сталевий вертикальний кожухотрубний теплообмінник із противоточним рухом теплоносія в між трубному просторі й контактному газі в трубному просторі. Теплоносій – паровий   конденсат

(Р = 0,32 МПа, t = 133°С).

У холодильнику передбачене шахове розташування труб (по вершинах правильних шестикутників). Температурні напруги, викликувані різницею температур між кожухом і трубами, можуть привести до руйнування апарата; у запобіганні цього на корпусі встановлений лінзовий компенсатор.

Апарат постачений штуцером виходу контактного газу Dy = 800 мм, Р = 0,6 МПа, шістьма штуцерами входу конденсату Dy = 100 мм, Рy = 1,0 МПа й шістьма штуцерами виходу пароводяної емульсії Dy = 200 мм, Рy = 1,0 МПа.

Приймаємо агрегатну схему компонування устаткування - контактний апарат змонтований безпосередньо на під контактному холодильнику.

Вихідні дані:

• Витрата охолоджуваного контактного газу 25302,74/3600 = 7,0кг/с.
• Витрата охолодної рідини - води: 8,7 кг/с.
• на вході:
• температура контактного газу 650ос;
• температура води 90ос.
• на виході:
• температура контактного газу 180ос;
• температура води 123ос;

Температурна схема процесу:

650 → 180

123 ← 90

∆tб = 527ос ∆tм = 90⁰

Середня температура контактних газів:

Теплофізичні параметри контактних газів при 415 0С у таблиці 3.

Таблиця 3.

Теплофізичні параметра контактних газів при 415ос

Склад	ρ, кг/м²	С, Дж/кг•К	μ (м с)/м²	√М Ткр
СН₂О	0,547		514*10ˉ⁷	111,47
СН₃ОН	0,583		226*10ˉ⁷	89,33
Н₂О	0,327		232*10ˉ⁷	108
СО	0,51		309*10ˉ⁷	61,4
СО₂	0,801		299*10ˉ⁷	115,5
Н₂	0,036		154*10ˉ⁷	8,13
N₂	0,51		311*10ˉ⁷	59,5
Суміш	1,3	1,743*10³	250*10¯⁷

 

Густина компонентів визначена по формулі:

Густина суміші за правилом адитивності. В'язкість компонентів узята з [4, с. 430 таб. 6].

В'язкість суміші визначена по формулі:

де, m1…m2-об'ємні частки компонентів;

М1…Мn – молекулярні маси компонентів;

Ткр1…Ткр.n - критичні температури.

 

Теплове навантаження – це кількість теплоти, яка передається від гарячого теплоносія до холодного за одиницю часу. Його визначимо з рівняння теплового балансу,яке має вигляд (без урахування втрат теплоти в навколишнє середовище):

де Q₁ – кількість теплоти, яку віддає гарячий теплоносій, Вт;

Q₂ – кількість теплоти, яку сприймає холодний теплоносій, Вт.

Якщо теплообмін відбувається без зміни агрегатного стану теплоносіїв, то

де  G1, G2 – витрати теплоносіїв, кг/с;

С₁, С₂ – питомі теплоємності теплоносіїв, Дж/(кг · К);

t₁п, t₁к, t₂п, t₂к – початкові і кінцеві температури теплоносіїв, ⁰С.

Тоді рівняння теплового балансу набуває вигляду:

Теплоємність суміші:

 

Cpсм.=1,728·10³ Дж/(кг·К)

де Q – кількість теплоти, віддана контактними газами при охолоджуванні від 650⁰С до 180⁰С.

Q = 1,4·1,728·10³·(650 – 180) = 1137,024·10³ Вт.

Основне рівняння теплопередачі:

Q = K·F·∆tср

Попередньо визначимо орієнтовно очікувану площу поверхні теплопередачі Fор. За рівнянням теплопередачі:

Fор.=Q/(Kор.·∆tср)

де Kор. – орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі, Вт/(м²·К)

Орієнтовно приймаємо:Kор.=300 м²; Fор.=40,0 м²

Визначимо критерій Прандтля.

Найбільший відсоток в суміші складають багатоатомні гази. Набуваємо приблизного значення Pr для сумішей таке ж, як для трьохатомних газів, Pr = 0,8.

Теплопровідність суміші:

 

 

Оскільки діаметр реактора рівний 400 мм, приймаємо діаметр обичайки підконтактного холодильника Dхвн = 400 мм з трубами d = 25ˣ2 мм і розрахуємо необхідну кількість труб:

де К – коефіцієнт заповнення трубних решіток, приймаємо К=0,7;

t – крок, t = 1,25·dвн = 1,25·0.025 = 0,031 м

За стандартом приймаємо n = 111

Швидкість руху газу:

 

 
           При Re = 30576 буде турбулентний режим.

Nu = 0,021· Re⁰’⁸· Pr⁰’⁴³ = 0,021·30576⁰’⁸·0,8⁰’⁴³ = 74,05

 

 

Коефіцієнт тепловіддачі для води в міжтрубному просторі.