3 страница. 7.1.3. Объем контактной массы определяем, принимая значения коэффициентов запаса в соответствии с конструкцией контактного аппарата:

7.1.3. Объем контактной массы определяем, принимая значения коэффициентов запаса в соответствии с конструкцией контактного аппарата:

V=k×V× (7.7)

где V – объем газа при нормальных условиях, м³/с;

- время контактирования в слое, с;

k – коэффициент запаса.

V₁=2,7×47,77×0,711=91,7 м³;

V₂= 1,5×47,77×1,22=87,4 м³;

V₃= 1×47,77×1,569=74,9 м³;

V₄= 1,2×47,77×1,445=82,8 м³;

V₅= 6×47,77×0,25=71,7 м³.

Площадь каждого слоя контактной массы определяем по уравнению:

F=V/3600× , (7.8)

где V – объем газа при нормальных условиях, м³/с;

- фиктивная скорость газа при нормальных условиях, м³/с.

F₁=F₂=F₃=F₄=F₅= м².

Следовательно, внутренний диаметр контактного аппарата будет равен:

D= (7.9)

D= =13,2 м.

Высота слоев контактной массы составит:

h₁= м;

h₂= м;

h₃= м;

h₄= м;

h₅= м.

Общая высота слоев: 3 м.

7.1.4. Технологический режим работы контактного аппарата.

На основании выбора оптимального режима контактного аппарата строим графики зависимости степени превращения от температуры (диаграмма t-x) для 1 и 2-ой ступени контактирования.

Значение равновесной степени превращения рассчитывается по формуле:

(7.10)

где К_р – константа равновесия реакции окисления SO₂ в SO₃ при конечной температуре в слое;

а – концентрация SO₂ в газе, д. е.;

в – концентрация О₂ в газе, д. е.;

Р – общее давление, Па;

х – степень превращения, д. е.

Для 1-го слоя:

Для 2-го слоя:

Для 3-го слоя:

Для 4-го слоя:

Для 5-го слоя:

Результаты расчета равновесной степени превращения приведены в таблице 16.

Таблица 16

Технологический режим работы контактного аппарата

№ слоя	Начальная температура оС	Конечная температура оС	Оптимальная температура оС	Степень превращения д. е.	Равновесная степень превращения д. е.
				0,63	0,683
				0,85	0,871
				0,92	0,952
				0,94	0,962
		425,9		0,97	0,978

Рис.10 Диаграмма t-x для второй ступени контактирования

1 – кривая равновесной степени превращения;

2 – линия оптимальных температур;

3 – реальный режим работы;

Рис. 11 Диаграмма t-x для первой ступени контактирования

1 – Кривая равновесных степеней превращения;

2 – линия оптимальных температур;

3 – Реальный режим работы.

8. Расчет дополнительного оборудования

Расчет теплообменника между 2 и 3 слоем

8.1.Тепловой расчет теплообменника и составление его теплового баланса.

Исходные данные для расчета теплового баланса теплообменника заносим в таблицу 17.

Таблица 17

Исходные данные.

Трубное пространство:
Температура входная газа tВХ.ТР.
Температура выходная газа tВЫХ.ТР.
Объемный расход газа VГ.ТР.	164895,2
Компоненты					Сумма
Состав газа по компонентам, % объем.	2,27	10,35	4,3	83,08
Межтрубное пространство:
Температура входная газа tВХ.МТР.
Температура выходная газа tВЫХ.МТР.
Объемный расход газа VГ.МТР.
Компоненты					Сумма
Состав газа по компонентам, % объем.	0,99	0,01	4,13	94,88

8.2. Расчет средней разности температур:

Температурная схема:

522 440

424 315

_______ _______

Δt_м=98 Δt_б=125

Средняя разность температур:

(8.1)

Средние температуры теплоносителей:

8.3. Расчет расхода теплоносителей:

Тепло газа, выделяемое в трубное пространство:

, (8.2)

где: теплоёмкость газа при средней температуре , С₁=1102,7Дж/(кг*К) (по прил. I) [15];

расход газа по трубному пространству, кг/с.

, (8.3)

где: плотность газа при средней температуре , ρ₁ = 1,535 кг/м³ (по табл. IV) [15].

Тогда тепло газа:

Тепло газа, выделяемое в межтрубное пространство:

, (8.4)

где: теплоёмкость газа при средней температуре , С₂=1112Дж/(кг*К) (по прил. I) [15];

расход газа по межтрубному пространству, кг/с.

, (8.5)

где: плотность газа при средней температуре , ρ₂ = 1,274 кг/м³ (по табл. IV) [15].

Тогда тепло газа по формуле (2.74):

Уравнение теплового баланса:

, (8.6)

Таблица 18

Тепловой баланс теплообменника.

Приход тепла	Расход тепла
QГ.ТР, Вт	QГ.МТР., Вт	QГ, Вт
	6192516,7

8.4. Определение ориентировочной максимальной площади поверхности теплообмена:

Минимальное значение коэффициентов теплопередачи для случая теплообмена от газа к газу (при невысоких давлениях К_мин=13Вт/м²*К). При этом:

, (8.7)

8.5. Определение числа труб, обеспечивающих теплообмен:

Принимаем трубы с размерами 57х3,5 мм.

Определяем значение критерия Re_ТР.:

, (8.8)

где: - коэффициент вязкости газа при 481С⁰, = 0,02813*10^-3 Па*с;

- внутренний диаметр трубки, d= 0,05м;

– скорость газа в трубном пространстве, = 10м/с [3].

Число труб 57х3,5 мм, обеспечивающих объёмный расход воды при Re_ТР.=27088:

8.6. Определение коэффициента теплоотдачи газа в трубах:

Критерий Прандтля для газа при 481С⁰:

, (8.9)

где: λ₁- коэффициент теплопроводности газа при 444,1С⁰, λ₁=0,0609 Вт/(м*К).

Критерий Нуссельта для газа при Re>10000:

Nu_ТР.=0,021*ε_l*Re_ТР.^0,8*Pr_ТР.^0,43* , (8.10)

где: ε_l – поправочный коэффициент, ε_l =1.

Для газов отношение = 1.

Коэффициент теплоотдачи газа в трубах:

, (8.11)

Вт/(м²*К)

8.7. Определение коэффициента теплоотдачи газа для межтрубного пространства:

Определяем значение критерия Re_МТР.:

, (8.12)

где: - коэффициент вязкости газа при 369,5С⁰, = 0,03107*10^-3 Па*с;

- наружный диаметр трубки, d= 0,057м;

– скорость газа в трубном пространстве, =12м/с [3].

Критерий Прандтля для газа при 369,5С⁰:

, (8.13)

где: λ₂- коэффициент теплопроводности газа при 369,5С⁰, λ₂=0,0534 Вт/(м*К).

Критерий Нуссельта для межтрубного пространства:

для шахматных пучков при Re >1000:

Nu_МТР.=0,4* *Re_МТР.^0,6*Pr_МТР.^0,36* , (8.14)

где: - коэффициент, учитывающий влияние угла атаки ,

Для газов отношение = 1.

Коэффициент теплоотдачи газа в межтрубном пространстве:

, (8.15)

Вт/(м²*К)

8.8. Определение коэффициент теплопередачи:

K= , (8.16)

где: ε – поправочный коэффициент, учитывающий отклонение газового потока от поперечного омывания труб и проскок газа между корпусом и трубками, между перегородками и корпусом и в отверстиях перегородок, ε=0,4(с. 180) [3].

Вт/(м²*К)

Удельная тепловая нагрузка:

q= K*Δt_ср, (8.17)

Вт/м²

8.9. Определение расчётной площади поверхности теплообмена:

, (8.18)

8.10. Определение площади поверхности теплообмена аппарата:

F_р =π*d_ср*n*L, (8.19)

где: L – длина труб, L = 7м.

F_р =3,14*0,0535* *7=2745м²

Запас площади поверхности теплообмена: *100=45,8%

8.11. Определение наружного диаметра теплообменника:

, (8.20)

где: t – шаг между трубками, t= 0,0741м (с.180) [3];

h – высота одного хода по межтрубному пространству, h =3,5м.

Таким образом спроектированный по заданным параметрам теплообменный аппарат типа ТН будет со следующими характеристиками: диаметр труб d=57х3,5 мм; наружный диаметр кожуха D=5000мм; число труб обшее-2334, длина труб L=7м; поверхность теплообмена F = 2745 м².

9. Расчет контактного аппарата на прочность

9.1.Расчет гладкой цилиндрической обечайки

Материал цилиндрической обечайки – Ст 20К.

Расчетная толщина обечайки, нагруженная внутренним избыточным давлением:

, (9.1)

где: D – диаметр аппарата, D= 14000 мм;

P- давление в трубе, P=0,035 МПа;

- коэффициент прочности сварных швов, =0,9;

- допускаемое напряжение, =67,8 МПа при .

Толщина стенки корпуса, нагруженной давлением P:

, (9.2)

где: С – сумма прибавок к расчетной толщине стенки, мм.

, (9.3)

где: прибавка для компенсации коррозии, мм;

прибавка для компенсации минусового допуска, мм;

прибавка технологическая, мм.

Толщина стенки корпуса:

Принимаем мм с учётом конструктивных особенностей.

Условия применяемых расчетных формул:

для обечаек и труб при

Допускаемое внутренне избыточное давление, МПа:

(9.4)

Условие прочности:

условие выполнено.

9.2. Расчет на прочность опорных балок

9.2.1. Расчет балок под первый слой контактной массы

Рис.12

Рис.13

Материал балки – 12Х18Н10Т;

Рис.14

=52МПа;

Е – модуль продольной упругости

Напряжение в сечении балки определяется по формуле:

, (9.5)

W_X – момент сопротивления балки

Основная нагрузка на балки от контактной массы, кварца и внутренних частей:

,

где: масса кварцита, кг;

масса катализатора, кг;

масса сетки, кг;

масса колосников, кг;

масса балок, кг;

Дополнительная нагрузка, возникающая за счет перепада давления в слое:

, (9.6)

где: перепад давления на слое, мм вод ст.;

F – площадь контактной массы в слое, .

Определяем дополнительную нагрузку:

Общая нагрузка на балки:

Т.к. нагрузка распределяется равномерно, удельная нагрузка равна:

, (9.7)

где: L – общая длина балок, мм; n= 24 – количество балок.

Удельная нагрузка:

Для равномерно нагруженной балки максимальный изгибающий момент равен:

, (9.8)

где: l – максимальная длина балки, l = 5670мм.

Момент сопротивление балки определяется по формуле:

; (9.10)

Напряжение в сечении балки:

Условие прочности: .

- условие прочности выполнено.

Коэффициент запаса прочности:

,

Определяем прогиб балки:

, (9.11)

где: Е - модуль продольной упругости для материала – 12Х18Н10Т, при ;

момент инерции сечения балки.