Расчет толщины изоляции стенок реактора

⇐ ПредыдущаяСтр 9 из 11Следующая ⇒

Данные для расчета:

10. температура внутри реактора, °С 363, 15

11. температура наружной поверхности изоляции, °С 60

12. температура окружающего воздуха, °С 19, 4

13. изоляционный материал – шлаковата, λ = 0, 076Вт/м·К

14. потери в окружающую среду, Q_n = 1023, 788кВт.

Определяем коэффициент теплопередачи в окружающую среду по формуле /4/

α = 9, 74 + 0, 07 · Δ t, (9.19)

гдеΔ t – разность температур между наружной изоляцией и окружающим воздухом, °С.

Δ t = t_из– t₀,

Δ t = 60 – 19, 4 = 40, 6 °C.

α = 9, 74 + 0, 07 · 40, 6 = 12, 58 Вт/(м² · К).

Находим поверхность изоляц ии (F_изол ), м, по формуле /4/

(9.20)

где Q_n – потери тепла в окружающую среду, Вт;

α – коэффициент теплоотдачи в окружающую среду;

t_из – температура наружной поверхности изоляции, °С;

t_в – температура окружающего воздуха, °С.

м²

Толщину тепловой изоляции аппарата находим из условия равенства тепловых потоков через слой изоляции и от поверхности изоляции в окружающую среду.

Q_п= Q_изол

Решением системы из двух уравнений определяем толщину слоя изоляции

реактора:

Q_п= F_изол· α · (t_из – t₀),

где δ _изол - толщина слоя изоляции реактора, м;

λ _изол – коэффициенттеплопроводности изолирующего материала, Вт/(м × К).

Принимаем толщи ну изоляции δ _изол = 50 мм. Изоляция стенок реактора выполнена из шлаковаты, что соответствует требованиям Т/Б и СН III-4 - 2003.

10 Подбор вспомогательного оборудования

10.1 Подбор теплообменника для нагрева газосырьевой смеси

Исходные данные: теплообменник предназначен для подогрева газосырьевой смеси, поступающей в реактор.

Холодный теплоноситель – газосырьевая смесь (ГСС), массовый расход составляет 325561 кг/ч или 90, 43 кг/с. Газосырьевая смесь состоит из дизельного топлива и ЦВСГ.

1) дизельное топливо – 291667, 0 кг/ч или 81, 02 кг/с;

2) ЦВСГ: G_ЦВСГ = 18365, 104 кг/ч или 5, 10 кг/с

Плотность ГСС: ρ _ГСС = 842 кг/м³;

t_вх = 155 °C; t_вых = 280 °С.

Теплоёмкость ГСС: с = 2990 Дж / (кг × К).

Горячий теплоноситель – газопродуктовая смесь (ГПС).

Расход ГПС: G_ГПС = 310032, 104 кг/ч или 86, 10 кг/с.

Теплоёмкость ГПС: с = 3060 Дж / (кг × К).

t_вх = 360 °C; t_вых = 250 °С.

Плотность ГПС: ρ _ГСС = 846 кг/м³.

Определяем поверхность теплообмена F, м², по формуле /1, стр 45/:

F = Q_общ/ (K × ∆ t_ср), (10.1)

где Q_общ – количество тепла газосырьевой смеси, кВт;
K – коэффициент теплопередачи, Вт/(м × К);

∆ t_ср – средняя разность температур, К.

Определяем количество тепла газосырьевой смеси Q_общ, кВт:

Q_общ= Q_ДТ+ Q_ЦВСГ, (10.2)

где Q_ДТ– количество тепла дизельного топлива, кВт;

Q_ЦВСГ – количество тепла ЦВСГ, кВт.

Определяем среднюю разность температур. Принимаем противоточную схему движения:

газопродуктовая смесь 360 °С 250 °С

газосырьевая смесь 280 °С 155 °С

t_min = 80 °С t_max = 95 °С

поэтому среднюю разность температур можно рассчитать как среднее арифметическое.

(10.3)

Определяем количество тепла дизельного топлива Q_ДТ, кВт, по формуле /2, стр. 97/:

Q_ДТ= G_ДТ× (I₃₁₀– I₇₀) (10.4)

где G_ДТ – массовый расход дизельного топлива, кг/с;

I₂₈₀, I₁₅₅– энтальпии жидкости при ρ ²⁰₄и T = 280 и 155 °С соответственно, кДж/кг.

Энтальпии газосырьевой смеси рассчитать нельзя из-за неизвестности детального химического состава сырья и продуктов реакции, поэтому используем экспериментальные данные ЦЗЛ.

I₂₈₀= 605, 38 кДж/кг

I₁₅₅= 302, 54 кДж/кг

G_ДТ= 291667 кг/ч = 81, 02 кг/с ( по табл. 11.3)

Q_ДТ= 81, 02 × (605, 38 – 302, 54) = 24536, 10 кВт

Определяем количество тепла ЦВСГ Q_ЦВСГ, кВт, по формуле:

Q_ЦВСГ= G_ЦВСГ× (I₅₅₃– I₄₂₈) (10.5)

Таблица 10.1 – Энтальпия ЦВСГ при температуре 428 К.

Компонент	Массовая доля, у_і	I, кДж/кг	I × у_і, кДж/кг
Н₂	0, 4244	1436, 3320	609, 57
СН₄	0, 1931	229, 6120	44, 33
С₂Н₆	0, 2773	186, 1197	51, 61
С₃Н₈	0, 0820	178, 7872	14, 66
С₄Н₁₀	0, 0232	181, 5945	4, 21
Итого	1, 000	-	724, 38

Таблица 10.2 – Энтальпия ЦВСГ при температуре 553 К и Р = 4, 17 МПа.

Компонент	Масс. доля, у_і	Т_кр, К	Р_кр, МПа	Т_пр	Р_пр	I_н.у кДж/кг	∆ I× M/ Т_кр	∆ I, кДж/кг	I_н.у – ∆ I, кДж/кг
Н₂	0, 4244	-	-	-	-	5325, 32	-	-	5325, 32
СН₄	0, 1931	190, 4	4, 60	3, 37	0, 70	1019, 86	1, 35	16, 07	1003, 79
С₂Н₆	0, 2773	305, 3	4, 88	2, 10	0, 66	889, 29	1, 75	17, 81	871, 48
С₃Н₈	0, 0820	369, 7	4, 25	1, 73	0, 75	872, 65	2, 00	17, 81	855, 24
С₄Н₁₀	0, 0232	425, 0	3, 80	1, 51	0, 84	871, 74	2, 35	17, 22	854, 52
Итого	1, 000	-	-	-	-	-	-	-	-

Продолжение таблицы 11.2

Компонент	(I_н.у – ∆ I) × у_і, кДж/кг
Н₂	2258, 46
СН₄	193, 83
С₂Н₆	241, 66
С₃Н₈	70, 10
С₄Н₁₀	19, 82
Итого	2783, 87

G_ЦВСГ= 18365, 104 кг/ч = 5, 10 кг/с (табл.11.3)

Q_ЦВСГ= 5, 10 × (2783, 87 – 724, 38) = 10503, 4 кВт

Q_общ = 24536, 1 + 10503, 4 = 35039, 5 кВт

Принимаем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи, соответствующее турбулентному течению К_ор = 200 Вт/(м²× К) при этом ориентировочное значение поверхности теплообмена составит:

F_ор= = 1391, 08 м² (10.6)

На кожухотрубчатые стальные теплообменники с поверхностью теплообмена до

2000 м² и на условное давление Р_у до 6, 4 МПа, для температур от минус 40 до плюс 450 °С разработан ГОСТ 9929-82 /54, стр.127/.

Согласно ГОСТ 9929-82 выбираем два теплообменника с плавающей головкой типа ТП со следующими параметрами:

- поверхность теплообмена, F, м² – 740;

- диаметр кожуха, D, мм – 1200;

- диаметр трубок, d, мм – 25 ´ 2;

- длина трубок, l, мм – 9000;

- число ходов по трубам, z = 1;

- число трубок, n – 1390;

- сечение трубного пространства, м² – S_тр = 0, 270;

- сечение межтрубного пространства, м² – S_мтр = 0, 350.

Производим уточненный расчёт поверхности теплопередачи. Определим коэффициент теплопередачи К, Вт/м² К, по формуле /4/:

, (10.7)

где – коэффициент теплоотдачи газопродуктовой смеси, Вт/м² К;

– коэффициент теплоотдачи газосырьевой смеси, Вт/м² К;

– толщина стенки, м;

– теплопроводность стали равная 17, 5 Вт/м К /9/.

r₁, r₂ – термические сопротивления слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м² × К) /4/.

Определяем коэффициент теплоотдачи для горячего теплоносителя формуле

/1/:

α ₁= 0, 023 × (λ / d_вн) × Re^{0, 8} × Pr^{0, 4} × , (10.8)

где λ – коэффициент теплопроводности, Вт/(м × К);

d_вн– внутренний диаметр трубки, м;

Re – критерий Рейнольдса;

Pr – критерий Прандтля.

Поправкой можно пренебречь, т.к. разность температур t₁и t_{cт, 1} невелика (менее Δ t_cp = 90) /1, стр.33/.

Режим движения потока определяется по величине критерия Рейнольдса, который находится по формуле /1/:

(10.9)

где G₁– массовый расход газопродуктовой смеси, кг/с, G₁= 86, 12 кг/с (табл. 11.33);

d_вн– внутренний диаметр трубки, м;

n – количество трубок;

z – число ходов;

μ ₁ – динамическая вязкость газопродуктовой смеси, Па× с.

Динамическую вязкость углеводородов можно определить по формуле Фроста /3/:

μ ₁ = Т_ср (6, 6 – 2, 25 × lgM) × 10^–8, (10.10)

где М – молекулярная масса углеводорода, кг/кмоль, М = 198 (из энергетического баланса);

Т_ср – средняя температура, К, 360, 5К.

μ ₁ = 360, 5 (6, 6 – 2, 25 × lg198) × 10^–8 = 5, 16 × 10^–5 Па× с

Re =

Re > 10000, следовательно режим течения устойчивый турбулентный.

Определяем критерий Прандтля по формуле:

Pr = (c × μ ₁)/λ, (10.11)

где с – теплоёмкость газопродуктовой смеси, Дж/(кг× к), с = 3060 Дж/(кг× К), принимаем по энергетическому балансу;

μ ₁ – динамическая вязкость газопродуктов ой смеси, Па× с;

λ – коэффициент теплопроводности газопродуктовой смеси, Вт/(м× К).

Коэффициент теплопроводности определяется по формуле /2/:

λ = × (1 – 0, 00047 × t_ср) (10.12)

где – относительная плотность газопродуктовой смеси, ρ ¹⁵₁₅ = 0, 846 г/cм³ (из энергетического баланса)

λ = × (1 – 0, 00047 × 360, 5) = 0, 132 Вт/(м× К)

Pr =

Определяем коэффициент теплоотдачи газопродуктовой смеси:

α ₁ = 0, 023 × (0, 132 / 0, 016) × 12598^{0, 8} × 1, 19^{0, 4} = 387, 83 Вт / (м²× К)

Определяем коэффициент теплоотдачи газосырьевой смеси (межтрубное пространство), α ₂, по формуле:

α ₂ = 0, 24Re^0.6 × Pr^{0, 36} × (λ / d_н) (10.13)

Поправкой можно пренебречь, т.к. разность температур t₂и t_{cт, 2} невелика (менее Δ t_cp = 90) /1, стр.33/.

Определяем критерий Рейнольдса по формуле /1/

Re = , (10.14)

где G₂ – массовый расход газосырьевой смеси, кг/с;

d_н – наружный диаметр трубы, м;

S_мтр– площадь сечения потока в межтрубном пространстве между перегородка ми /1, /,

S_мтр = 0, 290 м²;

μ ₂ – динамическая вязкость газосырьевой смеси, Па× с;

Динамическую вязкость определяем по форм уле Фроста:

μ ₂ = Т_ср × (6, 6 – 2, 25 × lgM) × 10^–8,

μ ₂ = 360, 5 × (6, 6 – 2, 25 × lg198) × 10^–8 = 5, 16 × 10^–5Па× с

Re = 18001, 74

Re > 1000, следовательно режим течения устойчивый турбулентный.

Определяем критерий Прандтля по формуле:

Pr = (c × μ ₁) / λ, (10.15)

где с – теплоёмкость газосырьевой смеси, Дж/(кг× к), с = 2990 Дж/(кг× К), принимаем по энергетическому балансу;

μ ₂ – динамическая вязкость газосырьевой смеси, Па× с;

λ – коэффициент теплопроводности газосырьевой смеси, Вт/(м× К).

Определяем коэффициент теплопроводности газосырьевой смеси:

λ = × (1 – 0, 00047 × 363) = 0, 132 Вт/(м× К)

Pr =

Определяем коэффициент теплоотдачи для газосырьевой смеси:

α ₂ = 0, 24 × × 18001, 74^{0, 6} × 1, 16^{0, 36} = 597, 24 Вт/(м²× К)

Определяем коэффициент теплопередачи К, Вт/(м²× К) по формуле /4/

(10.16)

где α ₁ – коэффициент теплоотдачи газопродуктовой смеси, Вт/(м²× К);

α ₂ – коэффициент теплоотдачи газосырьевой смеси, Вт/(м²× К);

δ – толщина стенки, м;

λ _ст – теплопроводность стенки, 17, 5 Вт/(м× К) /9/;

r₁= r₂ = 2900 – термическое сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки, Вт/(м²× К).

Вт / (м²× К)

Расчетная поверхность теплообмена равна:

F = м²

Определяем поверхность одного теплообменника: F = 1910/ 2 = 955 м².

Согласно ГОСТ 9929-82 выбираем теплообменник с плавающей головкой типа ТП со следующими параметрами:

- поверхность теплообмена, F, м² – 961;

- диаметр кожуха, D, мм – 1200;

- диаметр трубок, d, мм – 20 ´ 2;

- длина трубок, l, мм – 9000;

- число ходов по трубам, z = 1;

- число трубок, n – 1701;

- сечение трубного пространства, м² - S_тр = 0, 270;

- сечение межтрубного пространства, м² - S_мтр = 0, 350.

F = 961 × 2 = 1922 м²

Запас поверхности теплообмена составит:

Δ =

Расчётом доказано, что теплообменники Т-201/1, 2 с общей поверхностью 1922 м²могут быть использованы при реконструкции установки. На производстве установлены два теплообменника с общей поверхностью 1868 м², из расчета следует что необходимо заменить сырьевой теплообменник /5/.

10.2 Подбор насоса для подачи сырья

Исходные данные: насос предназначен для подачи дизельного топлива из емкости в реактор. Количество перекачиваемой жидкости Q = 291667 кг/ч или 81, 02 кг/с или

0, 096 м³/с.

Давление в емкости, из которой перекачивается топливо равно: р₁ = 0, 1 МПа.

Давление насыщенных паров дизельного топлива при 70 °С равно: р_t = 0, 01 МПа.

Давление в реакторе р = 4, 17 МПа.

Геометрическую высоту подъема примем 15. Длина трубопровода на линии всасывания 5 м, на линии нагнетания 20 м.

Примем, что на всасывающем участке трубопровода установлено 2 прямоточных вентиля, имеются 2 отвода под углом 90 °С, с радиусом поворота, равным шести диаметром труб, а на линии нагнетания находится 2 отвода под углом 120 °С и четыре под углом 90 °С с радиусом поворота равным шести диаметрам трубы и два нормальных вентиля.

а) Выбор трубопровода

Для всасывающих и нагнетающих трубопроводов примем одинаковую скорость течения жидкости, равную 2 м/с.

Расчет ведём согласно /1/.

Диаметр найдем по формуле:

, (10.17)

где d - диаметр трубопровода, м;

Q – расход, м³/с;

ω – скорость течения жидкости, м/с.

м.

Принимаем стандарт d = 0, 26 м.

Действительная скорость:

, (10.18)

м/с

(жидкость в напорных трубопроводах ω = 0, 5 2, 5 м/с).

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления

Находим критерий Рейнольдса:

, (10.19)

где ω - скорость течения жидкости, м/с;

d - диаметр трубопровода, м;

ρ - плотность перекачиваемой смеси, кг/м³;

μ - динамическая вязкость, Па∙ с.

Вязкость смеси определяем по формуле:

μ _ДТ = Т_ДТ × (6, 6 – 2, 25 × lgM) × 10^–8

где М – молекулярная масса дизельного топлива, кг/кмоль, М = 198 кг/кмоль (из энергетического баланса).

– динамическая вязкость дизельного топлива, Па∙ с.

μ _ДТ = 343 × (6, 6 – 2, 25 × lg198) × 10^–8 = 4, 9 × 10 ^–5

То есть режим турбулентный. Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем:

Δ = 2 ∙ 10^-4 м, , (10.20)

1/е = 129, 9; 560 /е = 72727; 10 /е = 1299, 0.

1299< (Re = 72727) < 80419

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение и расчет λ (коэффициент трения) следует проводить по формуле:

, (10.21)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетающей линии.

Всасывающая линия:

1) Вход в трубу (принимаем с острыми краями) ξ ₁ = 0, 5.

2) Прямоточные вентили d = 0, 260 м, ξ = 0, 32;

ξ ₂ = ξ ∙ d;

ξ ₂ = 0, 32 ∙ 0, 26 = 0, 0832.

3) Отводы: коэффициент А =1, коэффициент В = 0, 09, ξ ₃ = 0, 09.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

, (10.22)

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле:

, (10.23)

где λ - коэффициент трения;

l - длина трубопровода на линии всасывания, м;

d_э- диаметр трубопровода, м;

ω - скорость течения жидкости, м/с;

g - ускорение свободного падения, м/с²;

м.

Нагнетающая линия:

1) Отводы под углом 120°: А= 1, 17; В=0, 9; ξ ₁ =0, 105.

2) Отводы под углом 90°: ξ ₂ = 0, 09.

3) Нормальный вентиль: для d = 0, 26 м; ξ ₃ = 5, 1.

4) Выход из трубы: ξ ₄ = 1.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

, (10.24)

Потерянный напор в нагнетательной линии:

Общие потери напора:

, (10.25)

м.

в) Выбор насоса

Находим напор насоса

, (10.26)

где р₂ – давление в реакторе, МПа; р₂= 4, 17 МПа; р₁ – давление в емкости, кг/м³; р₁ =0, 1 МПа;

Н_г – геометрическая высота подъема, м.

м.

Подобный напор при заданной производительности обеспечивается центробежным насосом. Учитывая, что он широко распространен в промышленности. Из-за достаточного КПД, компактности и удобства выбираем именно его. Для надёжности работы установки выбираем 4 насоса, тогда расход на каждый насос составит Q = 0, 096 / 4 = 0, 024 м³/с (86, 4 м³/ч).

Полезную мощность насоса определяем по формуле:

N_n=ρ ∙ g ∙ Q ∙ H, (10.27)

где ρ – плотность жидкости, кг/м³;

g – ускорение свободного падения, м/с²;

Q – расход, ;