Описание технологического процесса и схемы. 3 страница

Количество тепла Q, Вт, затрачиваемое на нагрев раствора определяется по формуле:

Q = G · c · Δt, (6.25)

где G – расход раствора ДАФ, кг/с;

c - теплоёмкость раствора, Дж/ (кг·К);

Δt –разность температур, ^оС;

Q = 12096,4 · 2,3 · (125 - 40) = 2364846,2 Вт

Количество нагревающего раствора G, кг/с, определяется по формуле:

G = 2364846,2 / (3743,763 · 85) = 7,43 кг/с

В процессе теплообмена аммиак нагревается от 40 ^оС до 125 ^оС

Среднелогарифмическая разность температур Δt _{ср лог}, определяется по формуле:

, (6.26)

где Δt _б –большая разность температур, град;

Δt _м– меньшая разность температур, град;

Δt _м =Δt _б =50 град

Δt _{ср лог} = 50 град

Отношение n/Z определяется по формуле:

(6.27)

где n –общее число труб, шт;

Z – число ходов;

Re – критерий Рейнольдса;

µ- вязкость среды, Па·с;

d- внутренний диаметр трубок, м

- при диаметре труб Ø_тр= 25×2 мм

,

- при диаметре труб Ø_тр=20×2 мм

Площадь поверхности теплообменника F_ор, м ², определяется по формуле:

(6.28)

k – коэффициента теплопередачи, Вт/(м ²·К)

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи:

k=250 Вт/(м ²·К)

Тогда ориентировочная поверхность теплообмена:

F_ор= 189 м ²

Выбираем теплообменник, соответствующий площади поверхности теплообменника F_ор = 189 м². (ГОСТ 15120- 79):

- поверхность теплообмена F=219 м²

- диаметр теплообменника Ø=800 мм

- диаметр труб теплообменника Ø_тр=25×2 мм

- число ходов Z = 1

- число трубок n = 465 шт

- длина труб = 6м

- площадь сечения в вырезе S₁ =16,1·10^-2 м²

- площадь сечения между перегородками S₂ =7,9·10^-2 м²

- площадь сечения одного хода по трубе S₃ =6,9·10^-2 м²

Критерий Рейнольдса Re определяем исходя из формулы:

Re=

Критерий Прандтля (Pr) определяем по формуле:

Pr = (6.29)

где c - удельная теплоемкость, кДж/ (кг·К);

λ – теплопроводность, Вт/ (м·К);

µ- вязкость среды, Па·с.

Pr = = 5,07

Коэффициент теплоотдачи к жидкости α, Вт/(м²·К), движущейся по трубам турбулентно, определяется по формулам:

α = 0,023 · Re^0,8 · Pr^0,4 · λ /d, (6.30)

α₁ = 0,023 · 950^0,8 · 5,07^0,4 · (0,748/0,021) =377,9 Вт/(м²·К)

Площадь сечения потока в межтрубном пространств между перегородками:

S₂ = 0,079 м²

Критерий Рейнольдса Re в межтрубном пространстве определяется:

Re = G · d_вн / S₂ · μ, (6.31)

где G – расход, кг/с;

d_вн - внутренний диаметр, м;

S₂ - площадь сечения между перегородками, м²

Re₂ = 7,43 · 0,02/(0,079 · 0,0125) =150,5

Критерий Прандтля: Pr₂ = 3743,4630 · 0,00125/ 0,548 = 6,255

Коэффициент теплоотдачи к жидкости, движущейся в межтрубном пространстве:

α = 0,24 · Re^0,6 · Pr^0,36 · λ /d, (6.32)

α₂ = 0,24 · 150,5^0,6 · 6,255 ^0,36 (0,748/0,02) =351,7 Вт/(м²·К)

Коэффициент теплопередачи К, Вт/(м² ·К), определяется по формуле:

, (6.33)

где Σδ/λ – сумма термических сопротивлений стенки и загрязнений, м²·К/Вт

Σδ/λ= (6.34)

Σδ/λ = 0,002/17,5 + 2/2900 = 0,000804 м²·К/Вт

Коэффициент теплопередачи: К = 1/(1/377,9 +0,000804 +1/351,7) =160 Вт/(м²·К),

Поверхность теплообмена составит: F = 2364846,2/ (50 · 160) = 295,6 м²

Запас поверхности теплообмена составляет: Δ = (295,6 - 189)/295,6 · 100% = 3,6%

Данные по оборудованию приведены в таблице 5.9

Таблица 6.9

Основное оборудование процесса нейтрализации азотной кислоты газообразным аммиаком и введение ЖКУ.

Оборудование	Размеры
Подогреватель газообразного аммиака Т-1 Диаметр, мм Высота, мм Поверхность теплообмена,м2
Аппарат ИТН Р-3 Диаметр реакционной части, мм. Диаметр реакционного стакана, мм. Высота, мм. Диаметр сепарационной части,мм. Общая высота, мм. Давление, МПа. Температура в реакционной зоне, °С. Температура в сепарационной зоне,°С.	3600/2200 0,02 148-165°С 100-106°С
Контрольный донейтрализатор Р-97 Диаметр, мм Высота, мм
Скруббер-нейтрализатор Х-86 Диаметр, мм Высота, мм
Донейтрализатор Р-4 Диаметр, мм Высота, мм Вместимость, м3 Давление, МПа Температура,°С	3,2 0,02
Подогреватель азотной кислоты Т-2 Диаметр, мм Высота, мм Поверхность теплообмена,м2
Бак-гидрозатвор Е-5 Диаметр, мм Высота,мм
Отделитель- испаритель жидкого аммиака Х-37 Диаметр, мм Высота, мм Вместимость, м3 Поверхность теплообмена, м2	2,3

6.5 Механические расчеты.

1 Определение толщины стенки.

Рассматриваемый аппарат представляет собой цилиндрическую обечайку. Материал корпуса - сталь 12Х18Н10Т, модуль упругости при температуре 300ºC – Е=1,9 МПа.

Коэффициент прочности сварных швов корпуса , коэффициент Пуассона μ = 0,3.

Прибавка к расчетной толщине корпуса:

с = с₁ + с₂ + с₃, (6.35)

где с₁ – прибавка для компенсации коррозии, эрозии, с₁ = 2,5мм;

с₂ – прибавка для компенсации минусового допуска, с₂ = 0,8мм;

с₃ – технологическая прибавка, с₃ = 4,75мм

с = 2,5 + 0,8 + 4,75 = 8,05мм

Расчетное давление: Р = 0,02МПа.

Температура стенки: Т = 140°С.

Диаметр корпуса D = 3600мм.

Величина допускаемых напряжений при температуре t = 140ºC, σ = 136МПа.

Расчетная толщина стенки корпуса, нагруженной внутренним избыточным давлением, мм:

, (6.36)

где [σ] = η·σ*, η – поправочный коэффициент, для листового проката η = 1.

[σ] = 1·136 = 136МПа

мм

Округляем S_R до целого четного числа, S_R = 6мм.

Исполнительная толщина обечайки:

S=S_R+c (6.37)

S = 4,2+8,5 = 12,7мм.

Принято 14мм.

Условие применения формул:

, (6.38)

для обечаек и труб при D≥ 200мм

< 0,1 Условие выполняется.

Рассчитаем толщину стенки полусферического днища.

Радиус кривизны в вершине днища: R = 0,5D, R = 2200мм.

(6.39)

мм

Исполнительная толщина стенки днища, мм:

S₁ = S_1R + c (6.40)

S₁ = 2,6 + 8,5 = 11,1 мм

Принимаем S₁ = 12мм.

2 Определение допускаемого давления

Допускаемое наружное давление, МПа:

[Р] = min{[Р]₁;[Р]₂}, (6.41)

где [Р]₂ - допускаемое наружное давление, определяемое из условия прочности обечайки между смежными кольцами жесткости, МПа:

, (6.42)

[Р]₂ = = 0,42МПа

[Р]₁ - допускаемое давление из условия прочности и условия устойчивости в пределах упругости, МПа:

, (6.43)

[Р]_σ – допускаемое давление из условия прочности, МПа:

(6.44)

[Р]_σ = = 1,116МПа

[Р]_Е – допускаемое давление устойчивости в пределах упругости, МПа:

; (6.45)

где К_э – коэффициент, принимаем К_э = 0,93;

n_у – коэффициент запаса устойчивости, n_у = 2,4

[Р]_Е = = 1,776МПа

[Р]₁ = = 0,845МПа

[Р] = min {0,845; 1,016} = 0,845МПа

[Р] > Р₂ (0,845 > 0,42), условие прочности и устойчивости выполняется.

3 Расчет укрепления отверстий

Допускаемый диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления:

(6.46)

74мм

Формула применяется, если: ,

где d_R – расчетный диаметр отверстия,

d_R = d + 2с (6.47)

Отверстие для отбора проб: d = 10мм

d_R = 10 + 2 × 8,05 = 26,1мм

Укрепление не требуется (d_R < d₀).

Отверстие для термопары: d = 40мм

d_R = 40 + 2 × 8,05 = 56,1мм

Укрепление не требуется (d_R < d₀).

4 Укрепление одиночного отверстия в обечайке, днище, крышке другим штуцером

Внутренний диаметр штуцера d = 600мм.

Наибольший расчетный диаметр отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при отсутствии избыточной толщины стенки:

(6.48)

мм

Допускаемое напряжение материала штуцера при расчетной температуре =140МПа.

Допускаемое напряжение материала накладного кольца при расчетной температуре =136МПа.

Расчетная длина внешней части штуцера:

, (6.49)

где l₁ – исполнительная длина внешней части штуцера, l₁ = 48мм,

с_S – сумма прибавок к расчетной толщине штуцера, с_S = 0,8мм,

S₁ – исполнительная толщина стенки штуцера, мм:

S₁ = S_1R + с_S, (6.50)

, (6.51)

φ₁ – коэффициент прочности продольного сварного соединения, φ₁ = 1,

мм

S₁ = 1,7 + 0,8 = 2,5мм

Принимаем S₁ = 10мм

мм

Принимаем l_1R = 48мм.

Расчетная ширина накладного кольца, мм:

, (6.52)

где l₂ – исполнительная ширина накладного кольца, l₂ = 240мм,

S₂ – исполнительная толщина накладного кольца, S₂ = 12мм

мм

Принимаем l_2R = 240мм

Расчетная ширина зоны укрепления в окрестности штуцера, мм:

(6.53)

l_R = = 194мм

Отношения допускаемых напряжений:

(6.54)

Х₁ = Х₃ = 140/136

Принимаем Х₁ = Х₃ = 1.

(6.55)

Х₂ = 136/136 = 1

Условие укрепления отверстия:

l_1R(S₁ – S_1R – c_S)X₁ + l_2RS₂X₂ + l_3R(S₃ – 2c_S)X₃ + l_R(S – S_R – c) ≥ 0,5(d_R – d_oR) S_R (6.56)

48(10 – 1,7 – 0,8)1 + 240×12×1 + 0 + 194(18 – 9,8 - 8,05) = 3269мм

0,5(600 – 77,2)9,8 = 2561,72мм

Определяем необходимость укрепления отверстия диаметром 900мм.

Отверстия диаметром 600 и 900мм следует укрепить другим штуцером.

5 Расчет укрепления взаимовлияющих отверстий.

Максимальное расстояние между наружными поверхностями двух соседних штуцеров: в = 370мм.

Условие, когда отверстия считаются одиночными

(6.57)

мм

370 < 389, отверстия взаимовлияющие.

Допускаемое давление перемычки, МПа:

, (6.58)

где к₁ и к₂ – коэффициенты, для выпуклых днищ к₁ = 2, к₂ =1,

V₁ – коэффициент снижения прочности:

, (6.59)

где D_R – расчетный диаметр укрепляемого элемента, мм:

D_R = 2R – для сферических днищ, D_R = 2×1900 = 3800мм,

= 600мм, = 900мм - расчетные диаметры взаимовлияющих штуцеров,

- внутренние диаметры взаимовлияющих штуцеров.

МПа

Расчетное давление 0,2МПа не превышает допускаемое давление перемычки 0,82МПа

6 Расчёт опор обечайки

Вертикальные аппараты обычно устанавливают на стойках, когда они размещаются внизу помещения или на подвесных лапах, когда аппараты размещают между перекрытиями в помещении или на специальных, стальных конструкциях. При отношении Н/D>5 вертикальные аппараты размещают на открытой площадке и устанавливают на так называемых юбочных (цилиндрических и конических) опорах.

Находим нагрузку на одну опору:

Q=G/z, (6.60)

где G – вес обечайки со средой, Н;

z – число опор, z = 4;

Q = 221300/4 = 55,2 кН

Размеры опоры: а=258 мм, а₁=315 мм, b=83 мм, b₁=43 мм, b₂=323 мм, b₃=166 мм, h₁=98 мм, h₂=493 мм, S=17 мм, S₁=31 мм, d_б=М36.

Определяем толщину накладного листа:

, (6.61)

где σ_т – предел текучести материала накладного листа (ВСт3 пс), σ_т=140 МПа,

= 36,3мм

Округляем полученное значение до стандартного размера: S_H=36 мм.

Находим окружное напряжение от внутреннего давления:

σ_m = Р₂D₁/(2(S₃-c₂)), (6.62)

σ_m = 0,8 · 3800/2 · (18 - 8,05) = 107,1МПа

Вычисляем максимальное напряжение изгиба от реакции опор:

σ_и = Qe/(h₂(S₃ - c₂)²), (6.63)

где e – расстояние между опорной реакцией и стенкой обечайки, мм:

е = 0,5 (b + b₂ + S_H + S₃ - c₂), (6.64)

е = 0,5(83 + 323 + 26 + 14 - 1,3) = 222мм,

σ_и = 110000 · 222/(493 ·(18 - 8,05)²) = 307,1МПа

Проверяем условие прочности опорных лап:

(σ_m/ σ_т)² + 0,8σ_и/Аσ_т < 1, (6.65)

где А=185 – коэффициент, учитывающий условия работы.

(107,1/140)² + 0,8 · 307,1/140 · 185 = 0,6 < 1.

Условие прочности опорных лап выполняется.

7 Расчет сопряжения (днище-обечайка)

Внутреннее давление Р_р = Р₂ = 0,8 МПа.

Допускаемое напряжение и модуль упругости при рабочей температуре [σ]=136 МПа, Е =1,8·10⁵ МПа.

Допускаемое напряжение на краю элемента:

[σ]_кр=1,3[σ],

[σ]_кр=1,3·136=176,8 МПа.

Уравнение совместимости деформаций:

Δ^ц_р - Δ^ц_Q0 - Δ^ц_M0 = Δ^с_р+ Δ^с_Q0+ Δ^с_М0

Θ^ц_р - Θ^ц_Q0 + Θ^ц_M0 = - Θ^с_р- Θ^с_Q0 - Θ^с_М0 ,

где Δ^ц_р, Δ^ц_Q0, Δ^ц_M0, Θ^ц_р, Θ^ц_Q0, Θ^ц_M0 – соответственно, радиальные и угловые перемещения края цилиндрической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀, М₀;

Δ^с_р, Δ^с_Q0, Δ^с_М0, Θ^с_р, Θ^с_Q0, Θ^с_М0 - соответственно, радиальные и угловые перемещения края эллиптической обечайки под действием нагрузок Р, Q₀,М₀;

Подставляем соответствующие значения деформаций в уравнения деформаций, получим:

(2-µ)Р/2Е(S-c) - 2βR²Q₀/E(S-c) + 2β²R²M₀/Е(S-c)=

= Pa²/2Е(S-c)(2-µ-a²/b²) + 2β_эa²Q₀/Е(S-c) + 2β²_эa²М₀/Е(S-c);

0-2β²R²Q₀/Е(S-c)+ 4β³RM₀/Е(S-c)=

= -0-2β²_эa²Q₀/Е(S-c)- 2β³_эa²М₀/Е(S-c),

где R=0,5D, a=0,5D, b=0,25D,

R=0,5·3600=1800мм, а=0,5·3600=1800мм, b=0,25·3600=900мм;

(6.66)

=0,01

(6.67)

=0,01

Определяем Q₀, M₀, решая систему уравнений:

Q₀ = -0,577 МН,

M₀ = -0,561 МН.

Суммарные напряжения на краю сферического днища:

меридиональные σ_mэ = Ра/(2(S-c)) + 6М₀/(S-c)²; (6.68)

кольцевые σ_tэ = Ра(2-а²/b²)/(2(S-c)) + 6µМ₀/(S-c)²+2β_эaQ₀/(S-c) + 2β²_эaМ₀/(S-c); (6.69)

σ_mэ = 0,8·1800/2·10,7+6·0,561/10,7²=63,58 МПа,

σ_tэ=0,8·1800(2-4)/2·10,7+2·(-0,577)·0,01·1800/10,7-

-2·0,561·0,0001·1800/10,7+6·0,3·0,561/10,7²=128,9 МПа.

Суммарные напряжения на краю цилиндрической обечайки:

меридиональные σ_mo=РR/(2(S-c)) + 6М₀/(S-c)²; (6.70)

кольцевые σ_to=Р₂R/(2(S-c)) + 6µМ₀/(S-c)²+2β_эRQ₀/(S-c)+ 2β²_эRМ₀/(S-c); (6.71)

σ_mо=0,8·1700/2·10,7+6·0,561/10,7²=63,58 МПа,

σ_tо=0,8·1700/2·10,7+2·(-0,577)·0,01·1700/10,7-

-2·0,561·0,0001·1800/10,7+6·0,3·0,561/10,7²=69,82МПа.

Максимальное напряжение на краю:

сферического днища σ_{max э}=max{σ_mэ, σ_tэ},

σ_{max э}=128,9 МПа,

σ_{max э} < φ₁[σ]_кр,

128,9 МПа < 163,8 МПа;

цилиндрической обечайки σ_{max о}=max{σ_mо, σ_tо},

σ_{max о}=69,82 МПа,

69,82 МПа < 163,8 МПа.

Так как неравенства выполняются, то прочность сопряжения обеспечивается.

7. Системы управления химико-технологическими процессами

На ПСМУ ОАО «Череповецкий «Азот» управление технологическими процессами осуществляется ЭВМ, микроконтроллерами с программным управлением, контрольно-измерительными и регулирующими приборами.

Система автоматического регулирования охватывает практически все технологические операции, начиная с подачи полупродуктов и заканчивая транспортировкой на склад готовой продукции. В общем виде автоматическое управление на агрегате включает: слежение при транспортировке; регулирование температуры и рН; контроль уровня плава; регулирование потоков аммиака и азотной кислоты; обеспечение высокого качества продукта;

Кроме того, в функцию управляющей вычислительной машины входит: регистрация данных производственной и технологической информации, команд, неисправностей; сбор и обработка данных о технологическом процессе; диагностика оборудования.

В ПСМУ управление процессом осуществляется из центрального пункта управления (ЦПУ).

Основной стадией подсистемы регулирования на стадии нейтрализации является поддержание заданного соотношения потоков аммиака и азотной кислоты в аппарате ИТН при обеспечении определенного значения рН раствора аммиачной селитр, выходящей из аппарата ИТН. В системе регулирования соотношения этих потоков в агрегате ведущим является расход газообразного аммиака. Подача азотной кислоты и аммиака в аппарат ИТН автоматически регулируется по массовым потокам в соотношении 6,02: 1 (в расчете на 60%-ю азотную кислоту).

Автоматизация производством

1) Газообразный аммиак на входе в агрегат, на трубопроводе:

Перед Х-37 установлена:

- задвижка с электроприводом поз.HVSA-17, контролирует давление PIR-1-2;

Перед подогревателем Т-1 установлены:

- клапан регулирующий с пневматическим МИМ поз. PCV-1, контролирует давление;

- термометр контактный, контролирует температуру;

- манометр технический пружинный типа АМУ-1,КТ-1, контролирует давление;

- диафрагма камерная ДКС 10-300, контролирует массовый расход FQIR-13 с коррекцией по температуре, поз.TIR-21 и давлению поз. PIRCS-1;

На входе в аппарат ИТН Р-3/1,2 (после подогревателя Т-1) установлены:

- преобразователь давления типа МС-П2,

- клапан регулирующий с пневматическим МИМ поз.1,2FRCSA-1,

- задвижка с электроприводом типа ЗКЛПЭ 300-16 поз.HVSA-1, контролируют давление;

- сигнализатор давления типа ЭКМ-1У, КТ-1,5.

2) Азотная кислота на входе в агрегат, на трубопроводе:

- преобразователь давления типа МС-П2, КТ-1,0, контролирует давление;

- термометр контактный П-4, КТ-1,0, контролирует температуру;

- диафрагма камерная ДКС 10-150, контролирует массовый расход.

На входе в аппарат ИТН Р-3/1,2; на трубопроводе:

-преобразователь термоэлектрический типа ТК, контролирует температуру;

- диафрагма камерная ДКС 10-100, контролирует массовый расход;

- электромагнитный расходомер JFM 4080К с преобразователем сигналов JFC 090.

3) Аппараты ИТН Р-3/1,2

Слабый NP-раствор после 3-й тарелки аппарата:

- Преобразователь термоэлектрический типа ТХК, контролирует температуру;

Раствор аммиачной селитры (NP-раствор) в реакционном стакане:

- Преобразователь термоэлектрический типа ТХК, контролирует температуру;

Раствор аммиачной селитры (NP-раствор) вне зоны реакционного стакана:

- Преобразователь термоэлектрический типа ТХК, контролирует температуру.

4) NP-раствор в линии перелива из аппарата ИТН:

- Преобразователь термоэлектрический типа ТХК, контролирует температуру;

- Преобразователь термоэлектрический типа ТХК, контролирует температуру;

- Напоромер сильфонный НС-П2 с мембранным разделителем, контролирует давление;

- Преобразователь промышленный П-201 И, с чувствительными элементами, контролирует измерение pH;

Раствор аммиачной селитры на выходе из аппарата ИТН; на трубопроводе:

- Преобразователь промышленный П-201 И, с чувствительными элементами, контролирует измерение рН;

NP-раствор из бака Е-20: На 2-ую тарелку аппарата ИТН Р-3/1,2

на трубопроводе перед аппаратом:

- Электромагнитный расходомер IFM 4080К с преобразователем сигналов, контролирует объемный расход.

5) Химочищенная вода на входе в агрегат, трубопровод:

- сигнализатор давления типа ВЭ 16рб;

- диафрагменная камера типа ДКС-10-80;

- термометр контактный У-4, КТ-0,5.

Для безопасного хранения больших масс САФУ в складе при хранении продукта насыпью предусмотрен замер температуры в бурте. Для этого в центре бурта через каждые 3 м на высоте не менее 3 м от основания бурта установлены однозонные термопары, прикрепляемые к основанию чаши. При повышении температуры сверх 70⁰С подается сигнал в ЦПУ склада и упаковки, производится автоматическое включение системы пожаротушения (с подачей воды в ту часть бурта, где произошел разогрев селитры).