![]() |
Главная Случайная страница Контакты | Мы поможем в написании вашей работы! | |
|
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.
Tопт= , (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:
tопт=
.
Оптимальная температура во 2–м слое:
tопт=
.
Оптимальная температура в 3–м слое:
tопт=
.
Оптимальная температура в 4–м слое:
tопт=
.
Оптимальная температура в 5–м слое:
tопт=
.
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; tн=400 оС; х=0,15;
в=0,09; Р=105Па; х=0,15.
Определяем конечную температуру на 1-ом участке 1-го слоя:
tк = tн+ ×
х, (7.2)
где tн, tк, - начальная и конечная температуры, оС;
- коэффициент адиабаты газа при х=1, град.
Tк =400+324×0,14=448,6 оС=721,6 К.
Константа скорости окисления SO2 в SO3 рассчитывается по уравнению:
К=Ко×е-Е/R×T, (7.3)
где К – константа скорости окисления, Па-1 ×с-1;
Ко – 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 Кр этой реакции также зависит от температуры и в интервале 390 – 650 оС может быть вычислена по эмпирическому уравнению:
lg Kp= (7.4)
lg Kp= ,
Kp=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; tн=448,6 оС; х=0,35;
в=0,09; Р=105 Па; х=0,2.
Tк =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 Kp= .
Kp=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 | ![]() | ![]() | ![]() |
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 Кр – 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
_______ _______
Δtм=98 Δtб=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 Кмин=13Вт/м2*К). При этом:
, (8.7)
8.5. Определение числа труб, обеспечивающих теплообмен:
Принимаем трубы с размерами 57х3,5 мм.
Определяем значение критерия ReТР.:
, (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 ReТР.=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:
NuТР.=0,021*εl*ReТР.0,8*PrТР.0,43* , (8.10)
где: εl – поправочный коэффициент, εl =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 ReМТР.:
, (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:
NuМТР.=0,4* *ReМТР.0,6*PrМТР.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].
Дата публикования: 2014-11-18; Прочитано: 311 | Нарушение авторского права страницы | Мы поможем в написании вашей работы!