Выполнила:Пряхина Вероника 1 страница

Тепловой баланс контактного аппарата (базовый)

ПРИХОД ТЕПЛА	РАСХОД ТЕПЛА
Поток	МДж/ч	%	Поток	МДж/ч	%
1 слой
1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления		52,76   47,24	1. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Потери тепла		85,85   14,15
Итого:		100,00	Итого:		100,00
2 слой
1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления		78,01   21,99	1. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Потери тепла		91,39   8,61
Итого:		100,00	Итого:		100,00
3 слой
1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления		88,38   11,62	1. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Потери тепла		96,10   3,90
Итого:		100,00	Итого:		100,00
4 слой
1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления		93,02   6,98	1. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Потери тепла		99,10   0,90
Итого:		100,00	Итого:		100,00
5 слой
1. Физическое тепло, приносимое газовой смесью 2. Тепло реакции окисления		99,40   0,60	1. Физическое тепло, уносимое газовой смесью 2. Потери тепла		99,89   0,11
Итого:		100,00	Итого:		100,00

При сравнении тепловых балансов видно, что приход, а значит и расход тепла, увеличились. Благодаря этому больше тепла будет получать ТЭЦ, в результате увеличится получение электроэнергии. Это позволяет получить дополнительную выгоду, продавая лишнюю энергию населенным пунктам.

7. Расчет основного оборудования

7.1. Расчет контактного аппарата

Исходные данные:

· Производительность: А – 714000 т/год = 90,15 т/ч, H₂SO₄.

· Концентрация SO₂ в газе – 11,75% об.

O₂ в газе – 9,04% об.

· Объем газа V, – 171972 м³/ч = 47,77 м³/с.

· Конечная степень превращения – 99,7%.

· Общее давление, Р, Па - 10⁵.

· Пятислойный контактный аппарат с промежуточным теплообменом загружен гранулированной контактной массой и работает по следующему режиму:

Слои

1 2 3 4 5

Температура газа на входе

в контактную массу, ^оС 400 450 440 425 425

Степень превращения, д. е. 0,63 0,85 0,92 0,94 0,97

Расчеты:

7.1.1. Определение оптимальных температур контактирования.

T_опт= , (7.1)

где х – достигаемая степень превращения, д.е.;

а – начальная концентрация SO₂, % об.;

b - – начальная концентрация O₂, % об.

Оптимальная температура в 1–м слое:

t_опт= .

Оптимальная температура во 2–м слое:

t_опт= .

Оптимальная температура в 3–м слое:

t_опт= .

Оптимальная температура в 4–м слое:

t_опт= .

Оптимальная температура в 5–м слое:

t_опт= .

7.1.2. Расчет времени контактирования.

Слой разбиваем на 4 участка. Степень превращения на каждом участке принимаем соответственно: 0,15; 0,35; 0,53; 0,63.

Для 1-го участка имеем:

а=0,12; t_н=400 ^оС; х=0,15;

в=0,09; Р=10⁵Па; х=0,15.

Определяем конечную температуру на 1-ом участке 1-го слоя:

t_к = t_н+ × х, (7.2)

где t_н, t_к, - начальная и конечная температуры, ^оС;

- коэффициент адиабаты газа при х=1, град.

T_к =400+324×0,14=448,6 ^оС=721,6 К.

Константа скорости окисления SO₂ в SO₃ рассчитывается по уравнению:

К=К^о×е^-Е/R×T, (7.3)

где К – константа скорости окисления, Па^-1 ×с^-1;

К^о – предъэкспоненциальный множитель;

Е – энергия активации, Дж/моль;

R – универсальная газовая постоянная, 8,326 Дж/моль ×К;

Т – абсолютная температуря.

К=0,225×е^{-59871/8,326×712}=1,064×10^-5 Па^-1 ×с^-1.

Реакция окисления SO₂ в SO₃ обратима. Константа равновесия К_р этой реакции также зависит от температуры и в интервале 390 – 650 ^оС может быть вычислена по эмпирическому уравнению:

lg K_p= (7.4)

lg K_p= ,

K_p=0,447.

Время контактирования на 1-ом участке 1-го слоя определяем по уравнению:

, (7.5)

где - время контактирования, с.;

х – степень превращения, д. е.;

а – концентрация SO₂ в газе, д. е.;

в – концентрация O₂ в газе, д. е.;

К – константа скорости реакции, Па^-1 ×с^-1;

Р – общее давление, Па.

(7.6)

.

с.

Для второго участка 1-го слоя:

а=0,12; t_н=448,6 ^оС; х=0,35;

в=0,09; Р=10⁵ Па; х=0,2.

T_к =448,6+324×0,2=513,4 ^оС=786 К.

К=0,225×е^{-59871/8,326×780}=2,144 × 10^-5 Па^-1 ×с^-1.

lg K_p= .

K_p=0,123

с.

Аналогично выполняются расчеты для других участков 1-го слоя, а также 2,3,4,5-го слоев катализаторной массы. Результаты расчетов времени контактирования приведены в таблице 8.

Таблица 15

Результаты расчетов времени контактирования

Слой	tн	tк	х	х
1 слой участок 1 участок 2 участок 3 участок 4			0,15 0,35 0,53 0,63	0,15 0,2 0,18 0,1	0,082 0,07 0,06 0,054	0,238 0,202 0,158 0,113 0,711
2 слой участок 1 участок 2 участок 3			0,70 0,78 0,85	0,07 0,08 0,07	0,05 0,045 0,041	0,331 0,411 0,478 1,22
3 слой участок 1 участок 2 участок 3			0,87 0,90 0,92	0,02 0,03 0,02	0,04 0,038 0,037	0,375 0,666 0,528 1,569
4 слой участок 1 участок 2 участок 3			0,32 0,64 0,94	0,32 0,32 0,30	0,04 0,039 0,037	0,138 0,221 1,086 1,445
5 слой участок 1 участок 2 участок 3	425,3 425,6	425,3 425,6 425,9	0,95 0,96 0,97	0,01 0,01 0,01	0,037 0,037 0,037	0,064 0,08 0,106 0,25
ИТОГО:						5,195

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].