Аппарат охлаждения аммиачной селитры в псевдоожиженном слое

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Аппарат охлаждения аммиачной селитры в псевдоожиженном слое

Шалаева Е.В.

Введение

Гранулированную аммиачную селитру производят для использования в сельском хозяйстве в качестве простого азотного удобрения, в производстве взрывчатых веществ.

Аммиачная селитра (нитрат аммония NH4NO3) имеет молекулярную массу 80,043гр. Это белое кристаллическое вещество.

Аммиачная селитра отличается высокой гигроскопичностью, что является одной из причин её слёживаемости. В аммиачной селитре содержится 60% кислорода, 5% водорода и 35% азота, (по 17,5% в аммиачной и нитратной формах).

Основные физико-химические свойства:

- плотность 1690-1725 кг/м3;

- температура плавления 169,6°С;

- теплота плавления 73,2 кДж/моль;

- магнезиальная добавка 0,33%.

Основными стадиями производства гранулированной аммиачной селитры являются:

- нейтрализация 58%-60% азотной кислоты газообразным аммиаком

NH3+НNО3= NH4NO3+Q;

- донейтрализация раствора аммиачной селитры газообразным аммиаком, для нейтрализации избытка кислоты.

В полученный раствор аммиачной селитры, с массовой долей NH4NO3 не менее 89%, вводится магнезиальная добавка;

- упаривание полученного раствора. Полученный раствор, с добавкой Mg(NO)2, упаривается в выпарном аппарате до высококонцентрированного сплава, с массовой долей NH4NO3 не менее 99,7%;

- гранулирование плава. Процесс протекает в грану- ляционной башне. Плав с массовой долей NH4NO3 99,7% при температуре 175-180°С попадает в грануляторы. В резуль-тате разбрызгивания плава и охлаждения капель встречным потоком воздуха образуются гранулы готового продукта;

- охлаждение гранул селитры в аппарате кипящего слоя (КС) до температуры 50°С и не более, и одновременно под-сушиваются;

- очистка отработанного воздуха и сокового пара перед выбросом в атмосферу;

- упаковка и хранение готового продукта.

Проектируемый аппарат применяется на стадии охлаж-дения гранул.

1. Теоретическая часть проекта

1.1 Теоретические основы процесса охлаждения

Псевдоожижение представляет собой сложное взаимосвязанное движение газа (или жидкости, и твёрдых частиц взвешенного, псевдоожиженного, кипящего) слоя, по свойствам аналогичного жидкости.

Основные параметры псевдоожижения:

- перепад давления, Др;

- скорость начала псевдоожижения, щкр;

- скорость витания, щвит;

- порозность слоя, екс.

Переходу неподвижного слоя в псевдоожеженное состояние соответствует перепад давления, равный весу слоя частиц, приходящемуся на еденицу площади его поперечного сечения:

Дркр=(1-екс)*ст*hкс=Gкс/Fкс [1,с.123]

Первоначальный переход неподвижного слоя в псевдо-ожиженный обычно происходит при

Др= Дркр+ДП, [1,с.123]

где

ДП- избыточный перепад давления.

Чем больше первоначальная плотность частиц в непод-вижном слое, тем выше должен быть избыточный перепад давления (ДП) для достижения псевдоожижения.

Это обстоятельство приходится учитывать при выборе напора вентилятора, так как аммиачная селитра склонна к слёживаемости.

При снижении скорости газа слой перейдёт в неподвижное состояние, сохранив рыхлую структуру, а при повышении скорости газа, произойдёт псевдоожижение. Так как азотные удобрения склонны к слёживаемости, то при остановке работы охладителя не следует оставлять слой гранул на дли-тельное время в неподвижном состоянии, может произойти «схватывание» частиц, поэтому перед новым пуском аппарата слой следует «прошуровать», после чего он снова перейдёт в псевдоожиженное состояние.

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 1. Зависимость Др от w газа, проходящего через неподвижный и псевдоожиженный слои

Др?Дркр [1,с.123]

Псевдоожижение газовым потоком характеризуется прос-коком пузырей, что нарушает однородность кипения. Для таких кипящих слоев w/wкр не превышает 4-5.



Рис. 2. Зависимость е от w (сплошные линии) и от w/wкр (пунктир) для кипящего слоя гранул аммиачной селитры различного размера

Основная зона кипящего слоя начинается в 30-40мм от решетки и независимо от высоты засыпки слоя и примененного газораспределителя практически сохраняет постоянную среднюю плотность, вплоть до верхней части слоя.

Пульсационные изменения w, е, с и р в кипящем слое связаны с газовыми пузырями, образующимися вблизи газораспределителя и поднимающимися через толщу слоя с частотой в пределах 2-20Гц.

Весь избыток газа, соответствующий w-wкр проходит че-рез кипящий слой в виде пузырей. Газовые пузыри при их подъеме через слой в результате коалесценции (слияния) увеличивается, применительно к кипящему слою гранул аммиачной селитры различных размеров при относительной скорости w/wкр 1,5, 2,0 и 2,5.

В слоях псевдожижаемых газом, наблюдаются регулярные пульсации Др.

Регулярное подбрасывание слоя на решетке в промышленных аппаратах может приводить к нарушению прочности решетки и псевдожижаемых частиц, а также вызывать просыпание частиц через отверстия решетки.

Прохождение пузырей через кипящий слой создает пульсационный режим в расходе и скорости газа. Газовые пузыри вызывают циркуляционное движение частиц в слое. Вслед за пузырем в его кильватерной зоне поднимаются твердые частицы, которые выносятся им на свободную поверхность слоя. Скорость движения частиц, равна скорости подъема пузыря. С увеличением скорости газа растет абсолютная скорость частиц, как в вертикальных, так и в радиальных направлениях, но разница между скоростями частиц вверх и вниз, к центру и от центра сокращается. С увеличением w в несколько раз сокращается время движения частиц и возрастает интенсивность их перемещения.

В промышленных процессах происходят два вида теплообмена:

- в грануляционных башнях - нестационарный теплообмен между одиночными, падающими с нарастающей скоростью сферическими каплями-гранулами и встречным потоком воздуха, осложненный внутренним источником тепла в виде теплоты кристаллизации и последующих модификационных переходов (в случае аммиачной селитры).

- в охладителях с кипящим слоем -- нестационарный теплообмен между группами частиц и потоком воздуха, происходящий в сложных условиях непрерывно изменяющихся форм и скоростей движения обеих фаз.

Степень влияния термического сопротивления вещества на теплообмен тела с окружающей средой зависит от критериев:

Bi=б*rш/лТ и Fo=лТ*ф/(CТ*сТ*r2ш) [1,с.146]

Отверждение падающих в башне гранул размером 2-3мм протекает за 3-5 с, и процесс характеризуется пределами изменения Bi от 0,5 до 1,5 и Fo от 0 до 0,5.

В охладителях с кипящим слоем продукт обычно нахо-дится в течение 2-6мин. и значения Bi остаются те же что и в грануляции, но величина Fo возрастает до 4-25, а внутреннее термическое сопротивление гранул практически не сказывается на скорости охлаждения. Струи расплава на расстоянии 10-20см от сопла, т.е. через 0,02-0,06с, уже разрываются на капли, поэтому отводом тепла от струи можно пренебречь. Плотность орошения поперечного сечения башни расплавом такова, что падающие капли-гранулы и в горизонтальном направлении не оказывают заметного взаимного влияния на их обтекание воздушным потоком.

При продвижении фронта кристаллизации вглубь гранулы, уже успевшей отвердеть, слой вещества продолжает охлаждаться, и к моменту завершения кристаллизации средняя температура гранулы в целом оказывается значительно ниже икр а следовательно, приходится отводить тепла больше, чем qкр.

В результате гидродинамической особенности, наблюда-емой при обтекании сфер газовым потоком, тепловое взаи-модействие между ними неравномерно по поверхности тела.

Для теплообмена с газовым потоком применима формула, применимая для ламинарной и турбулентной областей:

Nu=2+0,69Re0,5*Pr0,33 [1,с.148]

Концентрация гранул в объеме башни практически ис-ключает их соударение.

Для улучшения качества удобрений желательно увели-чивать dт до 2-3 мм.

График зависимости коэффициента конвективной тепло-отдачи от относительной скорости гранулы и воздуха (tв=40°С).



Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 3 Кривые зависимости б от относительной скорости гранул и воздуха

На графике нанесены кривые зависимости б от относительной скорости гранул и воздуха. Для гранул dт=1-4мм при t=40°С. при изменении скорости падения гранул от начальной 4м/с до wвит=6м/с для dт=1мм и до wвит=11,4м/с для dт=3мм, б возрастает с 1110 (265) до 1380 (330) с 565 (135) до 965 (230) кДЖ/(м2*к*К) [Ккал/м2*ч*°С]. Для оценки относительной интенсивности локального переноса тепла использована безразмерная группа, названная числом Фросслинга:

[1,с.150]

Неравномерность теплоотвода вызывает более раннее отверждение нижней (лобовой) стороны гранулы, обращенной встречно к потоку воздуха. Отверждение нижней (лобовой) стороны в кристаллизующейся гранул возникает неравно-мерность радиального температурного градиента; если на лобовой стороне при ш =0 градиент иц - ипов= 50ч60°С, то на кормовой стороне (ш?180) он был 10-15°С.

Скорость кристаллизации зависит от интенсивности теплоотвода и протекает при икр=const.

Система уравнений Фурье:

- для переноса тепла в твердой фазе:

при Rr<r<rш [1,с.153]

- для конвективного теплообмена между поверхностью тела и внешней средой:

при r=rш [1,с.153]

- для граничных условий Стефана на межфазной поверхности:

при r=R [1,с.153]

- для начального условия:

ф=0, и=икр при 0?r?rш [1,с.153]

где

rш, r, R - соответственно радиус шара, текущий и границы кристаллизации.

В грануляционных башнях при начальной скорости истечения расплава 3-4м/с капли диаметром 2-2,5мм в течение основного периода кристаллизации будут падать со средней скоростью 5-7м/с.

Относительная скорость движения частиц и газа, от которой зависит интенсивность теплообмена, в разных зонах слоя различна. Теплообмен протекает во всем объеме кипя-щего слоя. Средняя температура частиц в объеме слоя практически одинакова. Теплообмен завершается на неболь-шом расстоянии от газораспределительной решетки. Можно сделать вывод о том, что высота активной зоны (фаз) практически всегда меньше высоты имеющегося кипящего слоя.

Изменение температуры газа по высоте псевдожиженного слоя:

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Рис. 4. Кривые изменения температуры газа по высоте активной зоны при охлаждении и нагреве частиц

Для мелких частиц hаз обычно не превышает нескольких миллиметров (вид в), а для крупных возрастает до несколь-ких сантиметров (а и б).

Охлаждение гранул аммиачной селитры (а) осуществля-лось при непрерывном ведении процесса. Теплообмен с воз-духом вблизи решетки несколько тормозится, а гранулы, находящиеся в промежутках между отверстиями, переохлаж-даются за счет теплообмена с решеткой. Воздух, выходя из отверстий решетки со скоростью около 20 м/с, оттесняет гранулы в сторону. На расстоянии 2-3мм от решетки воздух теряет свою скорость, распределяется в промежутках между частицами и вступает с ними в интенсивный теплообмен. При скорости воздуха, не превышающей 2 wкр (кривые 1), температура воздуха и частиц выше hаз практически ста-новится одинаковой.

В пседоожиженных системах существует так называемый входной эффект (Е), заключающийся в том, что часть тепла частицы отдают (или получают) за счет соприкосновения с решеткой:

[1,с.169]

где

Qреш - тепло, переданное через решетку,

QУ - общее количество переданного тепла,

tо, tвх, tвых - температура среды соответственно под решеткой, при входе в слой и выходе из него.

Опыт эксплуатации промышленных охладителей для удобрений показывает, что при значительной площади газораспределительной решетки практически не удается создать равномерный кипящий слой столь малой высоты. Происходит это из-за нарушения плоскостности самой перфорированной решетки, изготавливаемой обычно из тонких листов (у=2ч3мм) с применением сварки, и из-за трудности обеспечения строгой горизонтальности ее укладки на опорные конструкции. Кроме того, высота слоя должна заметно пре-вышать расстояние между отверстиями в решетке, чтобы слой «кипел» достаточно активно и размывал пирамидки частиц, стремящихся «залеживаться» на решетке в промежутках между отверстиями. В промышленных охладителях обычно создают КС высотой 50--150 мм.

Условиям охлаждения удобрений соответствуют значения Re/есл=(100ч500), т.е. значения б близки к таковым - одиночной частицы.

Гранулы, завершая свое падение в грануляционной баш-не, попадают в охладитель с кипящим слоем. Средняя тем-пература гранул с dт= (2ч2,5) мм бывает 110--120°С, а раз-ность температур на поверхности и в центре достигает нескольких десятков градусов. При падении гранул с башни охлаждение замедляется. Происходит это из-за снижения разности температур и потому, что гранулы, подвергаясь теплообмену лишь в активной зоне слоя, высота которой значительно меньше hсл, большую часть времени своего пре-бывания в кипящем слое находятся в состоянии, близком к тепловому равновесию с воздухом. Это способствует ускоре-нию выравнивания градиента температур, существующего в гранулах при их поступлении в кипящий слой. Время пребы-вания гранул в охладителях (2-6 мин) приводит к тому, что внутреннее тепловое сопротивление в них практически не сказывается на конечной температуре охлаждения гранул.

1.2 Описание технологической схемы охлаждения

Упаривание полученного раствора аммиачной селитры до состояния плава осуществляется под избыточным давлением, близким к атмосферному, за счет использования теплоты конденсации насыщенного пара давлением 1,2-1,4МПа (12-14кгс/см2) и противоточной продувки горячим воздухом в выпарном аппарате.

Плав аммиачной селитры из выпарного аппарата с температурой 175-185°С поступает в гидрозатвор - нетрализа-тор, откуда погружным насосом подается на вверх гран-башни.

Процесс гранулирования высококонцентрированного плава аммиачной селитры осуществляется в металлической грануляционной башне сечением 8,0 на 11,0м, обеспечивающей высоту падения гранул 50м. Встречным потоком воздуха, поднимающегося вверх гранбашни со скоростью 1,0-1,8м/с, падающие капли плава охлаждаются и кристаллизуются в виде гранул.

Образующиеся гранулы аммиачной селитры падают на конуса гранбашни, зазщищенные с внутренней стороны транспортерной лентой, через выгрузное отверстие поступают на конвейер поз. К. Конвейером поз. К гранулы амми-ачной селитры с температурой 70-120°С (не регистрируется) подаются на колосниковую решетку грохота загрузочного устройства аппарата охлаждения гранул в кипящем слое (КС) поз. А. Пройдя колосниковую решетку, аммиачная селит-ра попадает в аппарат с температурой 80-120°С для охлаждения, проходит последовательно три секции аппарата и охлаждается до температуры не более 50°С.

Внутри аппарата поз. А имеется две решетки: кипящего слоя и воздухораспределительная. Между секциями на ре-шетке кипящего слоя установлены шиберы, а также двери для выхода воздуха. Каждая секция имеет по две выгрузоч-ные течки с заслонками. В каждую секцию раздельно подается атмосферный воздух центробежными вентиляторами Вц1,2,3. объемная подача воздуха под каждую секцию регулируется осевыми направляющим аппаратом вентилятора, в зависимости от нагрузки агрегата. Линейная скорость воздуха в зоне кипящего слоя составляет 1,8м/с (для гранул 2,5мм).

На агрегатах предусмотрена подача воздуха вентиля-тором Вц2 под I-ую секцию и вентилятором Вц3 по II и I-ую секции аппарата поз. А. На случай повышенной относитель-ной влажности, а также во избежание переохлаждения гра-нул, предусмотрен предварительный подогрев воздуха в по-догревателях П1,2,3.

Подогрев воздуха осуществляется паром вторичного вскипания из бака и за счет теплоты конденсации сокового пара, поступающего из ИТН (использование тепла нейтрали-зации).

Сухой отработанный воздух из аппарата охлаждения поз. А поступает в грануляционную башню и далее на по-следующую очистку в скруббер поз. С. Селитра с t-50°С и не более из аппарата поз. А поступает на конвейер, которым подается в элеватор Э1,2. Далее поступает в отделение упаковки или в хранилище аммиачной селитры насыпью непосредственно.

1.3 Описание устройства, принцип действия аппарата охлаждения аммиачной селитры. Материал изготовления

Аппарат для охлаждения гранулированной аммиачной селитры состоит из корпуса прямоугольной формы, который разделен на три секции. Внутри аппарата имеются две ре-шетки: кипящего слоя и воздухораспределительная. Между секциями на решетке кипящего слоя установлены шиберы с подвижными заслонками, а также двери для выхода воздуха. Каждая секция имеет по две выгрузочные течки с заслонками, смотровыми окнами с подсветкой, люками.

Аппарат изготовлен из нержавеющей стали 10Х18Н9ТЛ. Решетка, поддерживающая кипящий слой, изготовлена из нержавеющей листовой стали 08Х22Н6Т.

Длина аппарата 15000мм.

Ширина решетки кипящего слоя 2400мм.

Высота аппарата 7400мм.

Поверхность решетки кипящего слоя 36м2.

Решетка имеет отверстия диаметром 44мм, шагом 12мм.

Воздухораспределительная решетка с отверстиями диа-метром 30мм и шагом 70мм.

Толщина стенки 50мм.

Длина одной секции 5000мм.

1.4 Режим и контроль работы аппарата охлаждения аммиачной селитры

Эксплуатирующие в настоящее время агрегаты по про-изводству аммиачной селитры АС-67 и АС-72 оснащены цен-трализованной системой автоматического регулирования (САРТП), реализованной на средствах пневматически. САР агрегатов не имеют принципиальных различий, а отличаются лишь по компоновочному решению и конструктивному ис-полнению оборудования оператора.

По функциональным признакам централизованная САРТП аммиачной селитры характеризуется наличием следующих подсистем:

а) Информационная подсистема, обеспечивающая сбор, преобразование и представление информации, включает:

- контроль и регистрацию технологических параметров (давление, температуры, расходов рН сред, уровней и др.) на вторичных пневматических приборах;

- контроль состояния технологического оборудования, запуска и остановка механизмов;

- световую индикацию отклонений от норм технологиче-ского режима и аварийного состояния, мнемоническое изо-бражение технологического процесса, звуковую двухтональ-ную сигнализацию;

б) Подсистема командных и управляющих воздействий обеспечивает:

- дистанционное управление с пульта оператора регу-лирующими органами, отсекателями, электрозадвижками;

- перевод системы регулирования в автоматический режим;

- автоматический перевод в безопасное состояние отсе-кателей и электрозадвижек, остановок насосов в аварийных ситуациях.

Плав аммиачной селитры с массовой долей NH4NO3 не менее 99,7% Q-23 и температурой TIRA Н 52 175-185°С из напорного бака Е-23 поступает в стояки перед гранулято-рами, откуда через леечные акустические грануляторы Х-261,2,3 равномерно в виде капель разбрызгиваются по всему сечению полого объема башни.

Уровень плава в баке Е-23 LIRAН 54 и температура LIRAН 52 контролируется в ЦПУ, максимальные значения их сигна-лизируются.

Перед грануляторами установлены отсекатели 1,2,3 HVS A 51 для возможности быстрого отключения грануляторов.

Предусмотрено дистанционное управление отсекателями с местного щита и сигнализация закрытия отсекателей.

Для защиты конвейера ПТ-30 от поломок крупными кусками аммиачной селитры в нижней части ствола гранбашни установлена защитная решетка из металла.

Для исключения завалов аммиачной селитры при остановке конвейера ПТ-30 автоматически закрываются отсека-тели 1,2,3 HVS A 51 на линии подачи плава в грануляторы, блокировка №24.

После конвейера ПТ-30, селитра поступает на колосни-ковую решетку грохота. На решетке отделяются комки и крупные частицы, которые могут образовыватся в случае налипания аммиачной селитры на стенках и корпусах башни.

Поэтому нестандартная (крупная) фракция попадает в Е-31 для растворения. Уровень Е-31 LIRAН 55 сигнализируется на ЦПУ по минимуму и максимуму.

Предусмотрена также автоматическая блокировка по остановке конвейера ПТ-30 при остановке одного из последующих транспортерных механизмов (ПТ-341,2; ПТ-351,2; ПТ-51; ПТ-52).

Пройдя колосниковую решетку грохота, гранулированная аммиачная селитра поступает в аппарат для охлаждения в кипящем слое Х-33, происходит последовательно три секции аппарата и охлаждается до температуры ТIR 51-1,2 не более 50°С.

При низких температурах атмосферного воздуха снижается температура гранул. В этом случае для охлаждения продукта достаточно одной или двух секций аппарата Х-33.

Поэтому каждая секция имеет возможность вывода продукта через выгрузочные течки на конвейер ПТ-341,2. температура гранул в каждой секции контролируется ТIR-50-1,2, ТIR-51-1,2, ТIR-61-1,2.

Повышение температуры до 50°С на ленте конвейра ПТ-341,2 сигнализируется 1,2 LIRAН 49. прием в цех нитрата магния с концентрацией 1 Q 35 не менее 35% осуществляется их цеха КРАК в емкости Е-1071,2.

Уровень в емкостях Е-1071,2 1,2 LIRAН 130 регистрируется на ЦПУ.

Подача Mg(NO3)2 осуществляется плунжерным насосом Н-501-4. На нагнетании насосов Н-501-4 установлены электромагнитные манометры для сигнализации максимального давления 1-4 РIAН 130 на ЦПУ 1,1 МПа (11 кгс/см2).

Температура раствора магнезиальной добавки в емкости Е-1071,2 не более 70°С контролируется 1,2 ТIRН 107.

1.5 Условия безопасного обслуживания

Производство аммиачной селитры характеризуется следующими опасностями:

- получение в аппаратах растворов и плава аммиачной селитры подверженных терморазложению, которое может в определенных условиях перейти во взрыв;

- применение в качестве сырья азотной, нитрата магния, аммиака, отличающихся токсичными свойствами, причем аммиак способен образовывать с воздухом взрывоопасные смеси;

- применение разнообразных транспортных механизмов погрузочного и другого механического и энергетического оборудования, неосторожное обращение с которым может привести к травмам: механическим и электротравмам.

Работа в отделении связана со следующими опасностями:

- газоопасность (отравление, удушение) и возможность химических ожогов;

- взрыво- и пожароопасность;

- возможность термических ожогов;

- механические травмы, связанные с нарушением правил техники безопасности при проведении различных работ и эксплуатации оборудования с вращающимися частями;

- опасности, связанные с эксплуатацией оборудования под давлением;

- опасности, связанные с работой на высоте.

Основными условиями, обеспечивающими безопасность ведения технологического процесса производства аммиачной селитры, являются: исправное состояние оборудования, включая контрольно-измерительные и регулирующие приборы, системы автоматической блокировки и сигнализации, строгое соблюдение норм технологического режима, требований технологического регламента и инструкций по рабочим местам, а также инструкции по охране труда.

Условия, обеспечивающие противопожарную безопасность на рабочем месте:

- производственные, вспомогательные, бытовые и служебные помещения должны быть укомплектованы необходимыми первичными средствами пожаротушения: огнетушителями, ящиками с песком, должно быть предусмотрено большое количество воды, т.к. единственным средством тушения аммиачной селитры, является вода;

- эвакуация производственного персонала из помещений предусмотрена по лестничным маршам и наружным пожарным лестницам;

- работник должен быть обеспечен противогазом с фильтром марки «КД», «В» или марки NО-Р3 при тушении аммиачной селитры, а при больших концентрациях оксидов азота - шланговыми противогазами при условии забора воздуха в чистой зоне;

- для защиты головы от ударов случайными предметами в помещениях необходимо носить защитную каску, застегнутую подбородным ремнем;

- для предотвращения заболеваний, связанных с воздействием на организм аммиачной селитры и ее растворов, аммиака, кислоты необходимо соблюдать правило личной гигиены;

- каждый работник обязан ходить в соответствующей спецодежде: ботинки на резиновой подошве, противокислот-ный х/б костюм, респиратор, каска, очки.

2. Расчетная часть проекта

2.1 Материальный расчет и материальный баланс

Исходные данные для расчета

средняя температура гранул, поступающих на охлажде-ние - t=120°С,

средняя температура гранул после охлаждения - t=50°С,

скорость воздуха при прохождении через кипящий слой, считая на свободное сечение аппарата - v=1,8-2,0м/с,

температура воздуха поступающего под решетку - t=25°С,

средний диаметр частиц =2,5мм,

средняя плотность аммиачной селитры - р=1700кг/м3,

удельная теплоемкость сухой аммиачной селитры при t=70°С - С=1,831 кДЖ/кг*гр,

средняя температура в слое - t=50°С,

влажность аммиачной селитры - Uн=0,3%, Uк=0,23%,

Получение аммиачной селитры происходит при нейтра-лизации азотной кислоты аммиаком по уравнению:

NH3+HNO3=NH4NO3+Q

Производительность аппарата составляет 1360т/сут аммиачной селитры или:

По уравнению реакции определяем расход аммиака и азотной кислоты, необходимых для производства данного количества аммиачной селитры:

- количество аммиака:

где

МNH3, МNH4NO3 - это молярные массы аммиака и аммиачной селитры [кг/к*моль]

- количество азотной кислоты

где

МНNО3 - это молярная масса азотной кислоты [кг/К*моль]

C учетом того, что обычно концентрация используемой азотной кислоты составляет 58-60%, ее расход будет равен:

Количество влажного материала

[9,с.457]

Количество испаряемой влаги

W=GH-GK=15,75-15,741=0,009 кг/c [9,с.458]

где

GH - производительность по исходному материалу, кг/с;

GК - производительность по охлажденному материалу, кг/с.

Расход воздуха для охлаждения аммиачной селитры определяем по формуле:

 [7,с.366]

где

q - расход воздуха необходимого для процесса охлаждения, кг/с,

с - средняя удельная теплоемкость воздуха, Дж/кг*град, с=0,25*4190=1047,5 Дж/кг*град

(t2-t1) - разность температур воздуха на входе и на выходе из аппарата, =25°С

Таблица 1 - Материальный баланс

Приход	Расход
Состав	кг/с	Состав	кг/с
Влажная аммиачная селитра	15,75	Гранулированный продукт на выходе из КС Н2О	15,741
Воздух в КС	77,1	Воздух из КС	77,1
Итого:	92,85	Итого:	92,85

2.2 Тепловой расчет и тепловой баланс

Уравнение теплового баланса.

Qхол =Qгор, т.е. количество тепла, принесенного гранулами должно равняться количеству тепла, отведенного воздухом.

Для того, чтобы составить тепловой баланс необходимо учесть температуру гранул аммиачной селитры на входе (Т1) и на выходе (Т2) из аппарата охлаждения аммиачной селитры. Так же нужно знать температуру охлажденного воз-духа на входе (t1) и на выходе (t2) из аппарата:

Т1=120°С

Т2=50°С

t1=25°С

t2=50°С

определяем тепловую нагрузку горячего теплоносителя (гранул) по формуле:

Qгр=G*c*(Т2-Т1) [7,с.366]

где

G - расход гранул аммиачной селитры, по данным материального расчета составляет 15,741 кг/с;

с - средняя удельная теплоемкость гранул аммиачной селитры, ДЖ/кг*гр;

(Т2-Т1) - разность температур на входе и на выходе из проектируемого аппарата, 70°С.

Средняя удельная теплоемкость гранул аммиачной селитры равна:

с=1,625+4,714*10-3*Иср=1,625+4,714*10-3*43,75= =1,831кДж/кг* *гр.

Тогда

Qгр=15,741 кг/с *1,831кДж/кг*гр* *(120°С-50°С)= =2018кВт

Тепловая нагрузка холодного теплоносителя находится по формуле:

Qвозд=q*c*(t2-t1) [7,с.366]

где

q-расход воздуха необходимого для процесса охлаждения,кг/с;

с - средняя удельная теплоемкость воздуха, ДЖ/кг*гр;

(t2-t1) - разность температур воздуха на входе и на выходе из проектируемого аппарата, 25°С.

Средняя удельная теплоемкость воздуха находится по диаграмме Рамзина:

с=0,25*4190=1047,5 Дж/кг*гр;

По уравнению теплового баланса находим количество воздуха:

[7,с.441]

Тогда тепловая нагрузка воздуха будет равна:

Qвозд=77,1 кг/с *1047,5 Дж/кг*гр*(50°С-25°С)= =2019кВт

Определим температурный напор

Рис. 5. Основной вид движения противоток

Определим среднюю разность температур, для этого узнаем минимальную и максимальную разность температур.

Максимально возможная разность температур, исходя из температур схемы при противотоке, составляет:

Qmax=(Т1-t2)= 120°С-50°С=70°С

Минимально возможная разность температур составляет:

Qmin=(Т2-t1)= 50°С-25°С=25°С

Отношение , следовательно, средняя разность температур:

 [7,с.378-379]

Все дальнейшие расчеты ведутся при средней разности температур.

Таблица 2 - Сводный тепловой баланс

Приход тепла	кВт	Расход тепла	кВт
С горячими гранулами Qгр=15,741*1,831*120	3459	С охлажденными гранулами Qгр=15,741*1,831*50	1441
С воздухом на входе Qвозд=77,1*1,0475*25	2019	С воздухом выходящим из аппарата Qвозд=77,1*1,0475*50	4038
Итого:	5478	Итого:	5479

Невязка баланса составляет

2.3 Определение конструктивных размеров

Для определения конструктивных размеров нам необхо-димо рассчитать скорость газов (воздуха), подаваемого в охладитель. Для этого предварительно рассчитываем кри-тическую скорость псевдоожижения для частиц среднего размера, пользуясь графиком Ly=f(Ar) для температур в слое, которую можно считать равной температуре уходяще-го воздуха, т.е. 50°С.

Критерий Архимеда находится по формуле:

[9,с.438]

где

dм - средний диаметр гранул,2,5мм (0,0025м);

g - ускорение свободного падения 9,81 м/с2;

сr - плотность воздуха при температуре 50°С;

х - кинематическая вязкость воздуха; динамическая вязкость воздуха при заданной температуре составляет м=0,018*10-3 Па*с;

см - плотность гранул аммиачной селитры,

см = 1690-1725 кг/м3

Плотность воздуха составляет:

[9,с.438]

Кинематическая вязкость воздуха составит:

[9,с.438]

Рассчитываем критерий Архимеда

В зависимости от найденного критерия Архимеда по но-мограмме [10,рис.10.15] определяем критическое значение кри-терия Лященко, которое необходимо для расчета критичес-кой скорости псевдоожижения.

Lyкр=0,095 - при порозности Е0=0,4 [9,с.462]

Далее находим критическую скорость псевдоожижения:

[9,с.461]

Рабочее значение критерия Лященко выбираем при по-розности кипящего слоя

Е=0,75-Ly =22,6 [9,с.461].

Тогда число псевдоожижения:

[9,с.461]

Зная, число псевдоожижения, найдем скорость газов (воздуха), подаваемого в охладитель (на полное сечение решетки):

W=KW*Wкр [9,с.461]

где KW - число псевдоожижения;

Wкр - скорость критическая, м/с;

Тогда

W=6,2*0,296=1,84 м/с

что соответствует исходным данным.

Скорость газов у решетки находится по формуле:

[9,с.462]

Если площадь живого сечения решетки принять равной 10% от всей площади, то скорость воздуха в отверстиях решетки будет равна:

Wотв=10*Wр=10*1,7=17 м/с [9,с.461]

Если принять число псевдоожижения для укрупненных частиц небольшим, лишь достаточным для их перемещения (например, KW=3), то критическая скорость псевдоожижения для этих частиц будет равна:

[9,с.462]

Тогда

[9,с.462]

где

с1 - плотность воздуха при t=25°С;

х - кинематическая вязкость воздуха, динамическая вязкость воздуха при заданной температуре составляет м= 0,017*10-3 Па*с;

Плотность воздуха составляет:

[9,с.438]

Кинематическая вязкость воздуха составит:

[9,с.438]

Тогда

Значение Lyкр=1080 соответствует Аr=6*108.

Тогда диаметр укрупненных частиц (комков) будет равен:

[9,с.462]

Таким образом, у отверстий решетки в состоянии пере-мещаться даже комки аммиачной селитры диаметром 14мм.

Определим размер решетки, для этого рассчитаем пол-ную площадь решетки по формуле:

[9,с.462]

где

q - расход воздуха на процесс охлаждения, 77,1 кг/с.

Тогда

Рассчитанная площадь решетки составила 35,36м2, дан-ной площади достаточно для охлаждения при выбранных ус-ловиях. Однако в соответствии с ГОСТом площадь решетки равна 36м2. для охлаждения с такой площадью решетки ос-новные размеры решетки составят:

- длина - 15м;

- высота (с сепарационным пространством) - 7,4м.

Определение диаметров штуцеров

В проектируемом аппарате охлаждения гранул аммиач-ной селитры ведется воздухом, который независимо подает-ся в каждую из трех секций охладителя, поэтому необходи-мо произвести расчет диаметров штуцеров для ввода воз-духа в каждую секцию.

Диаметр штуцера определяется по следующей формуле:

[9,с.438-440]

где

q - расход воздуха на одну секцию, 77,1/3секц.=25,7 кг/с;

с - плотность воздуха при t=25°С, с=1,093 кг/м3;

W - скорость подачи воздуха, 15-25 м/с.

Тогда

Принимаем диаметр штуцеров для ввода воздуха 1300мм.

2.4 Гидравлический расчет

Основную долю общего гидравлического сопротивления охладителя ДР составляют гидравлические сопротивления псевдоожиженного слоя ДРпс.с. и решетки ДРреш.

Величину ДРпс.с. находят по уравнению:

ДРпс.с.= см *(1-Е)*q*hкс [4,с.310]

где

Е - порозность слоя, составляет 0,75;

hкс - высота кипящего слоя, принимаем в четыре раза больше высоты зоны действия струи - зоны гидродинамической стабилизации.

Высота зоны действия струи равна:

hстр.=20*dотв=20*4=80мм [9,с.457]

Тогда высота кипящего слоя равна:

hкс=4*hстр.=4*800=320мм [9,с.457]

Тогда

ДРпс.с.=1690*(1-0,75)*9,81*0,32=1326Па.

Для удовлетворительного распределения газового пото-ка необходимо соблюдать определенное соотношение между гидравлическими сопротивлениями слоя и решетки. Мини-мально допустимое гидравлическое сопротивление решетки определяется по формуле:

[4,с.301]

Гидравлическое сопротивление выбранной решетки:

[4,с.310]

где

Fc -площадь живого сечения решетки, равен 10%;

ж - коэффициент сопротивления, равен 1,75.

Тогда

Значение ДРреш. не превышает минимально допустимое гидравлическое сопротивление решетки ДРреш.мин., значит, принимаем именно его.

Следовательно, общее гидравлическое сопротивление охладителя равно:

ДР=ДРреш.+ДРпс.с. [4,с.310]

ДР= 324 Па+1326 Па=1650 Па

2.5 Механический расчет

Рассчитываемый в проекте охладитель псевдоожиженного слоя имеет коробчатую форму обечайки.

Расчетная толщина плоской прямоугольной сетки коробчатой обечайки определяется по формуле:

[5,с.201]

где В -ширина (меньшая сторона) прямоугольной стенки, м;

С - прибавка к толщине стенки, м;

Р - расчетное давление, МПа;

ууд - допускаемое напряжение выбранного материала, МПа.

Прибавка к толщине складывается из прибавки на коррозию (С1), прибавки на разностенность или минусовое значение предельного отклонения листа (С2) и технологической прибавки (С3).

Таким образом:

С=С1+С2+С3 [9]

Прибавка на коррозию равна скорости коррозии, умноженной на срок службы аппарата (обычно 10-12 лет). Ск-рость коррозии определяют по справочникам или по лабораторным испытаниям. Прибавку на коррозию обычно принимают 1-2мм, что соответствует скорости 0,1-0,2мм в год. Прибавки С2 и С3 учитывают только тогда, когда сумма превы-шает 5% от расчетной толщины листа.

Рассчитываемый в проекте аппарат работает под атмосферным давлением, однако для расчета берется давление в 2-2,5 раза больше рабочего. Следовательно, расчетное давление равно 0,2 МПа.

В качестве материала, из которого изготовлен корпус аппарата была выбрана сталь марки Ст3, допускаемое на-пряжение выбранного материала 134 МПа [6,с.38].

Зная, все необходимые для расчета значения, определяем толщину стенки коробчатой обечайки:

Принимаем толщину стенки равной 500мм [5,с.201].

Заключение

В данном курсовом проекте был рассчитан аппарат охлаждения гранул аммиачной селитры в псевдоожиженном слое с площадью решетки 35,36м2, диаметром укрупненных частиц 0,014м.

Определены основные размеры аппарата:

- высота аппарат Н=7,4м,

- высота кипящего слоя hкс=320мм,

- длина аппарата L=15м,

Также были определены:

- толщина стенки коробчатой обечайки S=0,048мм,

- диаметр штуцеров d=1300мм=1,3м,

- высота зоны действия струй - зоны гидравлической стабилизации hстр.=80мм,

- скорость воздуха, подаваемого в охладитель W=1,84м/с,

- скорость газов у решетки Wр=1,7м/с.

В результате полученных расчетов был подобран аппа-рат по ГОСТу.

Литература

аммиачный селитра псевдоожижение

1. Е.А. Казакова. Гранулирование и охлаждение азотосодержащих удобрений М.: Химия, 1980.

2. И.П. Мухленова, Б.С. Сажина, В.Ф. Фролова. Расчеты аппаратов кипящего слоя. Л.: Химия, 1986.

3. В.М. Олевский. Технология аммиачной селитры. М.: Химия, 1978.

4. Г.С Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский. Основные процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1967.

5. А.А. Лощинский, А.Р. Толчинский. Основы конструирования и расчеты химической аппаратуры. М.: Машиностроение, 1963.

6. А.Э. Генкин. Оборудование химических заводов. М.: Высшая школа, 1963.

7. А.Н. Плановский, В.М. Рамм, С.З. Каган. Процессы и аппараты химической технологии. М.: Химия, 1968.

8. И.Л. Иофе. Проектирование процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1991.

9. К.Ф. Павлов, П.Г. Романков, А.А. Носков. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Л.: Химия, 1987.

10. П.Г. Романков, А.А. Носков. Сборник расчетных диаграмм по курсу процессов и аппаратов химической технологии.

11. Е.А. Мельников. Справочник азотчика. Л.: Химия, 1987.

Размещено на Allbest.ru

...