Теплоутилизационный теплообменник в составе установки производства аммиака - Диплом по ПАХТ

• давление газа Pг = 27,4 МПа;
• расход газа при P = 0,1013 МПа и T = 273,15 К Vг0 = 200 м3/с;
• температура газа на входе tг1 = 330 °С, на выходе tг2 = 210 °С;
• температура воды на входе tв1 = 102 °С, на выходе tв2 = 285 °С;
• состав газа NH3 = 14,20%, H2 = 62,46%, N2 = 20,82%, Ar = 2,52%.

Газообразный азот представляет собой одно из самых устойчивых химических веществ. Энергия связи в молекуле азота составляет 945 кДж/моль; он обладает одной из самых высоких энтропии в расчете на атом, в результате чего элементный азот нереакционноспособен. В атмосфере азот находится в свободном состоянии в огромных количествах. Подсчитано, что над 1 га поверхности Земли имеется около 80 тыс. т азота. Элементный азот в клубеньках некоторых растений вступает в реакции с образованием аминокислот и белков. Эти реакции катализируют ферменты, а необходимую энергию обеспечивает фотосинтез.

Большинство организмов легче усваивают соединения азота со степенью окисления -3. Это аминокислоты RCHNH2COOH и их полимеры – белки, которые играют важнейшую роль в биохимии. Однако скорость перевода в состояние окисления -3 в естественных процессах слишком мала для поддержания требуемого количества связанного азота при современных темпах его потребления.

В среднем половина необходимого для жизни азота возвращается через атмосферу за 108 лет; для кислорода этот период составляет 3000 лет, для углерода – 100 лет. Эти цифры убедительно показывают необходимость синтеза азотсодержащих соединений для использования их живыми организмами.

Потребителями азотных соединений издавна являлись фармация, военное дело, промышленность, а с начала XIX в. и сельское хозяйство.

Решением проблемы связанного азота явилась реакция синтеза аммиака, промышленное осуществление которой позволило создать мощную сырьевую базу для получения самых разнообразных азотсодержащих соединений.

Сырьем для получения продуктов в азотной промышленности являются атмосферный воздух и различные виды топлива. Одной из составных частей воздуха является азот, который используется в процессах получения аммиака, цианамида кальция и других продуктов азотной технологии. В некоторых схемах синтеза аммиака не требуется выделять азот из воздуха в чистом виде; воздух дозируют в газовую смесь для достижения стехиометрического соотношения N2:Н2 = = 1:3. В других схемах используют и чистый жидкий азот для тонкой очистки синтез-газа от вредных примесей, и газообразный, вводя его в строго корректируемом соотношении в конвертированный газ. В последнем случае воздух подвергают разделению методом глубокого охлаждения.

Аммиак – ключевой продукт различных азотсодержащих веществ, применяемых в промышленности и сельском хозяйстве. Д. Н. Прянишников назвал аммиак «альфой и омегой» в обмене азотистых веществ у растений [1].

Состав аммиака был установлен К. Бертолле в 1784 г. Аммиак NH3 – основание, умеренно сильный восстановительный агент и эффективный комплексообразователь по отношению к катионам, обладающим вакантными связывающими орбиталями.

Синтез аммиака идет при температуре около 500 °С. Для дальнейших про-цессов выполняется охлаждение продуктов реакции, частично в утилизационном теплообменнике за счет нагревания воды. Использование тепла реакционного газа позволят снизить расходы на образование греющего пара для вспомогательных процессов и снизить расходы на его охлаждение.

Расчет теплообменника для утилизации тепла продуктов реакции синтеза аммиака (NH3 + азотоводородная смесь) является целью данного дипломного проекта.

Уважаемые члены государственной аттестационной комиссии, вашему вниманию представляется доклад на тему «Теплоутилизационный теплообменник», работающий в составе установки производства аммиака.

Газообразный азот представляет собой одно из самых устойчивых химических веществ, в атмосфере он находится в свободном состоянии в огромных количествах. Большинство организмов легче усваивают соединения азота со степенью окисления -3, однако скорость перевода его в это состояние в естественных процессах слишком мала для поддержания требуемого количества связанного азота при современных темпах его потребления. Решением проблемы связанного азота явилась реакция синтеза аммиака, промышленное осуществление которой позволило создать мощную сырьевую базу для получения самых разнообразных азотсодержащих соединений.

Синтез аммиака идет при температуре около 500 °С. Для дальнейших процессов выполняется охлаждение продуктов реакции, частично в проектируемом утилизационном теплообменнике за счет нагревания воды. Использование тепла реакционного газа позволят снизить расходы на образование греющего пара для вспомогательных процессов и снизить расходы на его охлаждение.

Технологическая схема. Свежая азотоводородная смесь после очистки метанированием сжи-мается в центробежном компрессоре до давления 32 МПа и поступает в нижнюю часть конденсационной колонны для очистки от остаточных примесей СО2 и воды, затем направляется в межтрубное пространство выносного теплообменника, где нагревается до 185 –195 °С за счет теплоты газа, выходящего из колонны синтеза. Затем циркуляционный газ поступает в колонну син-теза.

В колонне синтеза газ последовательно проходит четыре слоя катализатора, в результате чего концентрация аммиака в га¬зе повышается до 15%. Охлаждение газовой смеси до 200-215 °С осуществляется в трубном про¬странстве утилизационного теплообменника, в трубном пространстве выносного теплообменника, и в аппаратах воздушного охлаждения, при этом часть аммиака конденси¬руется. Жидкий аммиак, сконденсировавшийся при охлаждении, отде¬ляется в сепараторе.

Циркуляционный газ поступает в систему вторичной конденсации, где происходит отделение жидкого аммиака от газа. Жидкий аммиак дросселируют до давления 4 МПа и отводят в сборник жидкого аммиа¬ка.

Чертеж общего вида теплообменника. Проектируемый утилизационный теплообменник предназначен для подогрева питательной воды от 102 до 280–290 °С за счет тепла реакции синтеза аммиака. Конвертированный газ охлаждается в подогревателе воды от 320–340 °С до 200–215°С.

Утилизационный теплообменник представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат высотой 17 метров, установленный на опоре на открытом воздухе. Аппарат состоит из обечайки, двух трубных решеток и двух распределительных камер, закрытых сферическими днищами. Внутренний диаметр корпуса 1600 мм. Трубы имеют диаметр 22x3,5 мм, количество 1722 шт. Поверхность теплообмена 925 м2. Охлаждаемый газ проходит по трубкам сверху вниз, нагреваемая вода – по межтрубному пространству противотоком газу.

Давление в распределительных камерах 27,4 МПа, в межтрубном пространстве 10,6 МПа. Максимальная температура в аппарате 330 °С.

Камера и 3D камеры. Приварные распределительные камеры аппарата представляют собой сварную конструкцию, состоящую из цилиндрической обечайки и шарового днища. В обечайке имеется цилиндрическое отверстие, в которое приваривается фланец для подключения трубопровода отвода газа. Днище также имеет отверстие с фланцем для крышки. Через эту крышку выполняется обслуживание трубной части аппарата.

Фланцевые соединения комплектуются линзовыми прокладками, ответными частями фланцев, набором шпилек и гаек.

Трубная камера. Теплообмен выполняется в трубной камере. Камера представляет собой сварную деталь и состоит из цилиндрической обечайки, двух конических переходов и двух трубных решеток. Внутри камеры установлены теплообменные трубы и перегородки.

Камера работает под давлением 10 МПа, давление в трубах 32 МПа. В обечайках, работающих под таким давлением, укрепление отверстий рекомендуется делать за счет увеличения толщины стенки всего элемента, поэтому для ввода и вывода воды имеются по два отверстия в конических переходах, толщина стенки которых больше, чем у центральной обечайки исходя из условий прочности при наличии отверстий.

Температура и давление воды в межтрубном пространстве меньше, чем для газа в трубном, поэтому для штуцеров используются обтюрация типа «выступ-впадина» и плоская металлическая прокладка.

Изготовление. Конструкция теплоутилизационного теплообменника является технологичной, так как имеется возможность расчленения ее на отдельные детали и узлы, обеспечивается сборка и сварка с применением сборочных приспособлений, автоматической и ручной дуговой сварки.

Процесс изготовления обечайки состоит из заготовительной, сварочной, сборочной и контрольной операций. Исходным материалом является листовой прокат, из которого выполняется сварка обечайки.

Для изготовления составлены маршрутная карта (описание технологического процесса изготовления и контроля изделия в технологической последовательности), технологическая карта (более детальная разработка процесса изготовления) и операционная карта (описание технологической операции с расчленением её по переходам и указанием параметров режимов обработки, расчётных норм и трудовых нормативов).

Технологическая схема сборки является основной для проведения процесса сборки аппарата. В первую очередь составляют схему общей сборки, затем – схему узловой сборки. Эти схемы являются наглядным отображением процесса сборки изделия и его составных частей.

Аппарат подготовки воды. Вода используется в технологическом процессе, в том числе для образования водяного пара, поэтому перед подачей воды в утилизационный теплообменник требуется очистка воды от солей в установке, включающей фильтры ионообменной обработки воды.

Фильтр представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат диаметром 3400 мм и высотой 5150 мм. Вода подается сверху аппарата, проходит через слой катионита КУ-2-8 и отводится снизу. Аппарат устанавливается на трех опорах.

Автоматизация. Объектами управления при автоматизации процесса утилизации тепла АВС являются утилизационный теплообменник ТУ, емкость для хранения воды Е, выносной теплообменник ВТ и насос Н.

Эффективность работы аппарата определяется температурой АВС на выходе из трубного пространства теплообменника. При увеличении температуры выше допустимой выдается сигнализация. Регулирование температуры выполняется изменением расхода воды в межтрубное пространство теплообменника.

Основными возмущающими воздействиями для проектируемого аппарата являются температура и расход АВС на входе в утилизационный теплообменник. Для обеспечения непрерывности работы теплообменника выполняется контроль уровня в емкости воды и сигнализация при снижении объема воды ниже допустимого.

Утилизатор работает под давлением, поэтому для предупреждения о потенциально аварийных ситуациях предусмотрен контроль и сигнализация давления в трубном и межтрубном пространстве утилизационного и выносного теплообменников.

БЖД. Производство аммиака является токсичным и пожаровзрывоопасным. Для снижения влияния на экологию выбрана схема с низкими отходами производства, в которой используется замкнутый цикл, возвращающий непрореагировавшую часть азото-водородной смеси обратно на стадию синтеза аммиака. В схеме реализовано использование вторичных энергоресурсов, в частности, тепла конверсии оксида углерода. Для безопасной эксплуатации оборудования выполнен расчет молниеотвода и заземлителя. Составлен перечень правил, соблюдение которых гарантирует снижение влияния опасных и вредных факторов.

Экономика. Анализ экономической эффективности показал, что за счет увеличения поверхности теплообмена аппарата удалось снизить расходы энергоресурсов на охлаждение синтез-газа после колонны синтеза и получить большую выгоду от использования тепла реакции синтеза аммиака. Большая стоимость капитальных вложений компенсируется снижением затрат на энергоресурсы, срок окупаемости проекта менее года.

Спроектированный теплоутилизационный теплообменник удовлетворяет техническому заданию и может быть использован в установке производства аммиака. При соблюдении правил эксплуатации оборудования гарантируется его безопасная работа в течение всего срока службы.

Доклад завершен.