Производство защитных атмосфер производительностью 1300 м3ч с разработкой конвертора и адсорбера (дипломный проект)

Выводы и рекомендации

При выполнении дипломного проекта была выполнена следующая работа:
1) Проанализированы существующие на сегодняшний день способы производства защитной атмосферы для процесса формирования стекла и выбран наиболее оптимальный, отвечающий условиям современного рынка день и развитию современной химической промышленности;
2) Были проведены технологические расчёты, в результате которых были определены режим работы проектируемых конвертора и адсорбера и их основные размеры - диаметр и высота, а также диаметры технологических штуцеров;
3) Проведены расчёты на прочность и жёсткость элементов аппаратов, подтверждающие работоспособность разработанной конструкции. Расчёты выполнены в соответствии с действующей в химическом машиностроении нормативно-технической документацией;
4) Проведены технико-экономические расчёты. За счёт увеличения производственной мощности и реконструкции конвертора и адсорбера годовой экономический эффект согласно расчётам составляет 250997,17 грн;
5) Разработана система автоматизации, обеспечивающая нормальный режим работы технологических аппаратов;
6) Разработаны чертежи проектируемого конвертора и адсорбера. Конструкция аппаратов разработана в соответствии с действующей в химическом машиностроении нормативно-технической документацией;
7) Предусмотрены мероприятия по гражданской обороне, охране труда и технике безопасности, промышленной экологии.
В данном дипломном проекте были разработаны аппараты, отвечающие отечественным стандартам





СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................................................3
1 АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР........................................................4
2 ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ....................................................8
2.1 Обоснование выбранного метода производства и оборудования.....8
2.2 Описание технологической схемы производства..........................9
2.3 Характеристика сырья и готового продукта...............................17
2.4 Материальный баланс............................................................19
2.5 Тепловой баланс....................................................................24
2.6 Технологический расчёт.........................................................27
2.7 Гидравлический расчёт..........................................................32
3 ОПИСАНИЕ КОНСТРУКЦИИ И ПРИНЦИПА РАБОТЫ АППАРАТА............................................................................33
4 ВЫБОР ОСНОВНЫХ КОНСТРУКЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ.......37
5 РАСЧЁТЫ НА ПРОЧНОСТЬ, ЖЁСТКОСТЬ И УСТОЙЧИВОСТЬ...39
6 ТЕХНОЛОГИЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ АППАРАТА.............................50
7 РЕМОНТ И МОНТАЖ...............................................................54
8 КОНТРОЛЬ И АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОИЗВОДСТВА....................58
9 ОХРАНА ТРУДА И ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ.........................89
10 ПРОМЫШЛЕННАЯ ЭКОЛОГИЯ.............................................116
11 ГРАЖДАНСКАЯ ОБОРОНА...................................................130
12 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКИЕ РАСЧЁТЫ..............................141
ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ...................................................153
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ............................................................154

2 Технологическая часть

2.1 Обоснование выбранного метода производства и оборудования

Современные аппараты должны обладать высокой производительностью, характеризоваться достаточной надёжностью и гибкостью в работе, обеспечивать низкие эксплуатационные расходы, иметь небольшую массу и, наконец, быть конструктивно простыми и технологичными в изготовлении. Последние требования не менее важны, чем первые, поскольку они не только определяют капитальные затраты, но и в значительной мере влияют на эксплуатационные расходы, обеспечивают лёгкость и удобство изготовления аппаратов (в особенности это относится к серийным), их монтажа и демонтажа, ремонта, контроля, испытания, а также безопасную эксплуатацию. Кроме перечисленных выше требований проектируемые аппараты должны также отвечать требованиям государственных стандартов, ведомственных нормалей и инспекции Госнадзорохрантруда.
На действующем производстве защитной атмосферы применяются нестандартные аппараты, кторые не так надежны в эксплуатации как серийные, требуют больших затрат при изготовлени и ремонте так как их производство является единичным.
В данном дипломном проекте предлагаю разработать и ввести в производство защитной атмосферы стандартные аппараты - конвертор и адсорбер с новыми характеристиками производительности для улучшения ремонтно-эксплуатационных показателей и увеличения мощности производства защитной атмосферы с 1200 м3/ч до 1300 м3/ч.




2.2 Описание технологической схемы производства

2.2.1 Основы технологического процесса

Производство азото-водородной защитной атмосферы во всех режимах работы станции осуществляется с помощью установок типа АВУ-400.
Основные стадии и операции технологического процесса, происходящие в установках, представлены в таблице 2.1 и на технологической схеме КБ 2257 Д5 рабочего проекта.

Таблица 2.1- Стадии и операции технологического процесса
No
п/п Стадии процесса Отдельные операции
1 Неполное сжигание природного газа Подготовка газо-воздушной смеси. Неполное высокотемпературное сжигание природного газа в зернистом слое огнеупора. Охлаждение продуктов неполного горения, насыщение их парами воды.
2 Конверсия оксида углерода Низкотемпературное каталити-ческое взаимодействие оксида углерода с водяным паром.
3 Охлаждение газовой смеси с влагоотделением Воздушное охлаждение газовой с влагоотделением смеси. Охлаждение в газо-водяных теплообменниках оборотным водоснабжением. Охлаждение в газо-водяных теплообменниках «захоложенной »водой.
4 Очистка от диоксида углерода и влаги Адсорбция на цеолите NaX. и влаги Вакуум-продувочная регенерация цеолита.

1. На стадии процесса сжигания газа происходит неполное высокотемпературное сжигание природного газа при коэффициенте расхода воздуха равным 0,7 ÷ 0,98 в слое зернистого огнеупорного материала.
Природный газ и сжатый воздух через регуляторы расхода газа и воздуха подаются в горелку камеры сжигания, где происходит их полное смешение. Подготовленная газо-воздушная смесь поступает в слой зернистого огнеупорного материала. Удельная поверхность засыпаемой в камеру сжигания зернистой крошки имеет удельную поверхность, начиная с 350 м2/м" на входе газо-воздушной смеси и заканчивая 50 м2/м3 на выходе из камеры продуктов неполного горения природного газа. На поверхности раскаленных зерен происходит неполное горение газа и температура в слое насадки достигает 1400 ÷ 1800°С (в зависимости от коэффициента расхода воздуха).
При высокой температуре и большой разветвленной поверхности контакта газо-воздушной смеси с насадкой скорости реакций окисления и разложения метана велики и заканчиваются в верхней зоне слоя мелкозернистой насадки.
При недостатке кислорода протекают сложные процессы неполного горения, которые суммарно могут быть записаны в виде следующего выражения:
CH4 + O2 + N2 = CO2 + CO + H2O + H2 + N2. (2.1)
воздух продукты неполного горения
Для снижения остаточного кислорода необходимо плавное снижение температуры продуктов горения до 600 ÷ 800°С. Это достигается применением насадки с малой удельной поверхностью (увеличивая размер зерен).
Из камеры сжигания продукты неполного горения с температурой 600 -800°С поступают в испаритель, который заполнен кольцами типа Рашига из жаропрочной стали. Туда же одновременно через распылитель подается водяной конденсат, происходит испарение конденсата на поверхности колец, охлаждая продукты горения до температуры 200°С и насыщая их парами воды.
2. Продукты неполного горения природного газа с температурой 200 ± 20°С, насыщенные парами воды, поступают в конвертор, где проходит их каталитическая очистка от оксида углерода на поверхности катализатора НТК-4 или КСО по реакции:
CO + H2O = CO2 + H2 + 41,17 кДж. (2.2)
Выделяющаяся при реакции теплота незначительна и компенсируется теплопотерями аппарата (конвертора). Оптимальные условия прохождения этой реакции обеспечиваются поддержанием заданной температуры подаваемой смеси продуктов неполного горения на входе в конвертор, а также избыточными количествами насыщенного водяного пара. За счет реакции конверсии концентрация водорода в газе увеличивается примерно вдвое.
3. После очистки продуктов неполного горения от оксида углерода, газовая смесь направляется в блок охлаждения, состоящий из последовательно включенных по газу:
- агрегата воздушного охлаждения;
- двух газоводяных теплообменников, из которых один (первый) в качестве хладоагента использует охлажденную в градирне воду оборотного водоснабжения. Второй теплообменник охлаждается «захоложенной» водой, циркулирующей в замкнутом цикле.
В процессе охлаждения из газа выделяется конденсат водяного пара, который отводится в каплеуловителях и поступает в систему сбора конденсата.
За счет процесса охлаждения конденсируется и выводится из газовой смеси до 98% всего содержащегося в ней водяного пара и газовая смесь охлаждается до 10°С.
В зависимости от времени года, технологической схемой предусмотрено отключение части теплообменников.
4. Частично обезвоженная путем конденсации газовая смесь далее подвергается окончательной адсорбционной очистке от влаги и диоксида углерода на цеолите марки NaX в блоках адсорбционной очистки, состоящих из трех адсорберов, один из которых постоянно находится в режиме адсорбции, другой - в режиме регенерации, а третий - в режиме выравнивания давления.
Весь цикл работы блока составляет 12 минут и подразделяется на режимы:
- адсорбции (очистки защитной атмосферы) - 4 минуты;
- сброс давления в адсорбере после его работы в режиме адсорбции
(сброс осуществляется с помощью форвакуумного насоса)
минуты;
- регенерации (восстановление активности цеолита), осуществляемой
продувкой адсорбера очищенной защитной атмосферой с одновременным вакуумированием -4 минуты;
- выравнивания давления в адсорбере до рабочего, после его регенерации, с помощью системы стабилизации давления - 2 минуты.
В режиме адсорбции газовая смесь подается в нижнюю часть адсорбера, заполненную металлическими кольцами, которые выполняют роль распределителя потока и аккумулятора отрицательного тепла десорбции. Далее проходя слой цеолита, газовая смесь очищается от паров воды и диоксида углерода. Причем, пары воды адсорбируются первоочередно и преимущественно нижними слоями цеолита. Диоксид углерода адсорбируется во вторую очередь, преимущественно в верхних слоях цеолита.
Очищенная азото-водородная смесь отводится из верхней части адсорбера и подается потребителю. Часть чистой азото-водородной смеси (до 30%) отбирается и подается в другие адсорбера на продувку и заполнение.

2.2.2 Состав оборудования. Общие и вспомогательные системы

Процессы производства защитной атмосферы из природного газа ведутся на СЗА в соответствующих блоках. Для обеспечения необходимой производительности по защитной атмосфере и для обеспечения надежного резервирования по технологическому оборудованию на СЗА размещено три установки (АВУ-400), одна из которых находится в «горячем» резерве. В состав оборудования СЗА входят:
-блок сжигания природного газа – 3шт.
-конвертор - 3шт.
- аппарат воздушного охлаждения – 3шт.
- теплообменники - 6шт.
- машина холодильная – 3шт.
- блоки адсорбционной очистки – 4шт.
-расходные баки конденсатной системы – 2шт.
-баки-накопители конденсатной системы –1шт.
- бак «захоложенной» воды – 1шт.
- водородный компрессор 2ГМ4 – 2шт.
- насосы вакуумные ВВН2 – 50М – 5шт.
- насосная оборотного водоснабжения
- лаборатория газового анализа,
-лаборатория КИП.
В общей технологической схеме самостоятельно функционируют:
1 - конденсатная система;
2 - система воздушного охлаждения;
3 - система оборотного водоснабжения;
4 - система «захоложенной» воды;
5 - вакуумная и форвакуумная системы;
6 - система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.
1. Конденсатная система предназначена для сбора и подачи водного конденсата, полученного в результате охлажденного продуктов неполного горения в теплообменниках блока охлаждения и влагоотделения перед адсорберами.
В состав системы входят:
- бак для сбора конденсата (бак накопитель);
- два расходных бака (верхние конденсатные баки);
- два водяных насоса;
- конденсатопровод.
Система сбора и подачи конденсата обслуживает все установки АВУ-400.
Сборник конденсата представляет собой емкость объемом 4 м 3 , расположенную ниже уровня технологических агрегатов (в подвальном помещении). К нему подходит конденсатопровод для слива конденсата самотеком, а выходные патрубки соединены с водокольцевыми насосами типа ВК-2/26 КУ2, один из которых является рабочим, а другой - резервным.
Расходные баки представляют собой герметичные емкости по 2,5м3, расположенные на отметке плюс 12,000, что обеспечивает необходимый напор для подачи конденсата в испарители камер сжигания. Верхняя часть баков соединена трубопроводами с патрубками выхода из камер сжигания, благодаря чему конденсат в расходных баках и в линии подачи конденсата в испарители, находится под дополнительным давлением, необходимом для прохождения через узел регулирования расхода конденсата.
2. Система воздушного охлаждения должна обеспечить снижение температуры продуктов горения после конвертора с температуры 220°С до 50°С.
Для этой цели применены аппараты воздушного охлаждения типа АВМ, изготавливаемые Борисоглебским заводом химического машиностроения.
Аппарат воздушного охлаждения устанавливается на открытом воздухе.
3. Система оборотного водоснабжения должна обеспечить:
- охлаждение камер сжигания природного газа;
- охлаждение газовой смеси, проходящей через первые газо-водяные теплообменники;
- охлаждение компрессора, подающего защитную атмосферу на заполнение адсорберов после регенерации цеолита;
- охлаждение конденсаторов холодильных машин;
подачи воды в водокольцевые вакуумные насосы.
Оборотное водоснабжение состоит из :
- градирни, служащей для охлаждения воды;
- насосной, служащей для подачи охлажденной воды на станцию защитных атмосфер и для подачи нагретой воды в градирню на охлаждение
- емкости, служащей для сбора нагретой воды от камер сжигания, теплообменников, компрессора, холодильных машин и вакуумных насосов.
4. Система «захоложенной» воды предназначена для охлаждения газовой смеси до температуры плюс 8-Н2°С во вторых газо-водяных теплообменниках В состав системы входят:
- расходный бак «захоложенной» воды;
- два водяных насоса;
- три парокомпрессионных холодильных машины;
- трубопроводы.
Расходный бак «захоложенной» воды представляет собой емкость 8м\ куда по трубопроводу сливается вода из газо-водяных теплообменников. Из бака вода забирается водокольцевыми насосами (один из них рабочий, другой - резервный) и подается под давлением в испарители холодильных машин, где охлаждается до плюс 8-М0°С и далее поступает во вторые газо-водяные теплообменники.
Разводка трубопроводов воды и расположение запорной арматуры обеспечивают возможность поочередного использования холодильных машин, а также их одновременную работу, в зависимости от температуры «захоложенной» воды. Бак и трубопроводы «захоложенной» воды имеют тепловую изоляцию.
5. Вакуумная и форвакуумная системы предназначены для создания вакуума в адсорберах во время их регенерации.
В состав системы входят:
- пять вакуумных насоса марки ВВН2-50М, из них три вакуумных
насоса работают на вакуум, один на форвакуум и один резервный;
- вакуумная запорная арматура;
- вакуумопроводы.
Назначение форвакуумной системы - убрать из адсорбера избыточное давление и создать небольшой вакуум ( порядка минус 0,4 - 0,6 кГ/см) после его работы в режиме очистки защитной атмосферы.
Этот этап по циклограмме работы вакуумных клапанов составляет 2 минуты.
После создания предварительного вакуума форвакуумной системой, подключается основная вакуумная система, а форвакуумная отключается. В адсорбере создается вакуум до минус 0,9 кГ/см. Одновременно с подключением вакуумной системы осуществляется продувка адсорбера очищенной защитной атмосферой, отбираемой со следующего адсорбера блока, работающего в режиме очистки защитной атмосферы.
Эта операция носит название вакуумно-продувочная регенерация.
6. Система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.Учитывая, что адсорбера после их регенерации находятся под вакуумом, а заполнение их осуществляется очищенной защитной атмосферой с выходных трубопроводов, находящихся под избыточным давлением, происходит кратковременный увеличенный отбор защитной атмосферы на заполнение адсорберов, что приводит к колебанию расхода защитной атмосферы, подаваемой в ванну расплава и, соответственно, давления.
Проектной документацией разработана система стабилизации расхода и давления защитной атмосферы при ее выработке.
Суть ее работы состоит в том, что с выходных трубопроводов ( с одного, двух или трех) идет постоянный отбор защитной атмосферы с расходом, необходимым для заполнения работающих адсорберов после их регенерации.
Отбор защитной атмосферы осуществляется компрессором (проектом предусмотрено два компрессора: один рабочий, другой резервный) и подается в существующие аммиачные емкости под давлением 8 кГ/см . Из емкостей защитная атмосфера через регуляторы расхода подается в адсорбера для заполнения их до рабочего давления.
Технологической схемой предусмотрен резервный вариант работы системы стабилизации без компрессоров через емкости.
Переключение адсорберов с одного на другой режим осуществляется согласно разработанной циклограмме, которая также обеспечивает равномерную нагрузку на вакуумные и форвакуумные насосы.
При переходе на резервный блок адсорбционной очистки вакуумные клапана должны работать по циклограмме заменяемого блока.

2.3 Характеристика сырья и готового продукта

Таблица 2.2- Характеристики сырья
NoNo
пп Наименование сырья, материалов Основные характеристики сырья, материалов  ГОСТили ТУ
1 2 3 4


1.1. 1. Исходное сырье

Природный газ

 

Состав в объемных %:
Метан – 92,017
Углеводороды – 3,808
Азот – 4,154
Углекислый газ – 0,021
Плотность – 0,719 кг/м3
Максимальный расход на одну установку – 65 м3/час (при нормальных условиях)
Давление – 70-90 кПа
Калорийность – 7965 ккал/ м3 

ГОСТ 5542-87

Продолжение таблицы 2.2
1 2 3 4
1.2. Сжатый воздух Состав в объемных %:
Азот – 78,09
Кислород – 20,95
Аргон – 0,93
Углекислый газ – 0,03
Плотность – 1,293 кг/ м3
Максимальный расход на одну установку – 650 м3/час
(при нормальных условиях)
давление не менее 500 кПа 



2.1. 2. Вспомогательные
материалы

Корундовый огнеупорный кирпич No 44 и No 45 


Футеровка камеры сжигания 


ГОСТ 24704-81
2.2. Электрокорунд фракций КПФ-44, КПФ-45 (или электрокорунд спецкрупка фракций 18,0-10,0 и 10,0-5,0) Стабилизация процесса горения ТУ 2-036-0224450-022-90
2.3. Катализатор НТК-4 ТУ 113-03-2001-91 или: СНК; КСО Конверсия окиси углерода ТУ 113-03-2001-91
2.4. Цеолит Адсорбционная очистка ТУ 38.10281-88
2.5. Кирпич шамотный легковесный Теплоизоляция ГОСТ 5040-96


Химический состав вырабатываемой защитной атмосферы, в % объемных:

- водород    - 0.5÷20
- азот     - остальное.
- кислород    - 0.0005
- влага     - не >(-)60o С по т.т.р.
- двуокись углерода   - 0.5 
- окись углерода   - 0.05


2.4 Материальный баланс

Взаимодействие метана с кислородом может протекать в нескольких направлениях в зависимости от содержания кислорода в смеси и режима процесса (температуры, давления и времени пребывания продуктов в зоне реакции) [11]:
CH4 + 0,5O2 = CO +2 H2 - 35,6 кДж; (2.3)
CH4 + O2 = CO + H2+ H2 О – 278,2 кДж; (2.4)
CH4 +2 O2= CO2 +2H2O – 803,2 кДж. (2.5)
Реакции горения метана при недостатке окислителя описывают следующими уравнениями:
CH4 + 1,5O2 = CO + 2H2O – 519,33 кДж; (2.6)
CH4 + 1,5O2 = CO2 + H2 + H2O – 560,5 кДж. (2.7)

Химизм реакции конверсии природного газа может быть описан следующей системой уравнений:

a + b + e = 1;
2a + 1,5b + 1,5 e – c = 0;
3,76•c – (1 – d) •k = 0;
e – 0,333 • d = 0,

где a , b, e – соответственно доля метана, реагирующего по реакции (2.5), (2.6), (2.7);
с – соотношение кислород – метан;
d – мольная доля водорода в защитной атмосфере;
k – отношение объема защитной атмосферы к объему метана.
В результате решения системы линейных уравнений методом обращения матрицы были получены следующие данные:
а=0,4150702; а=0,1519853; а=0,6970757;
b=0.5582898; b=0.8080547; b=0.2896043;
e=0.02664; e=0.03996; e=0.01332;
c=1.707535;  c=1.575993; c=1.848538;
d=0.08; d=0.12; d=0.04;
k=6.978622; k=6.733787; k=7.240107 .
Расчет ведем на колличество водорода в готовой защитной атмосфере d=0.08 (8%).
В камеру сжигания подается природный газ 54 м3/ч и воздух.
Состав природного газа: CH4 – 96%;
 N2 – 4%.
Состав воздуха: O2 – 21%;
 N2 – 79%.
Находим количество воздуха, подаваемого в камеру сжигания:
=с= 1,707535, откуда находим количество кислорода:
=54•1,707535= 92,2 м3/ч.
Тогда количество воздуха, подаваемого в камеру сжигания составит:
92,2 – 21% х= =439,05 м3/ч.
х – 100%
Находим количество метана в природном газе:
54 м3 – 100%  = =51,84 м3/ч.
м3 – 96 %
Находим количество азота в воздухе:
439,05 м3 – 100%  = =346,85 м3/ч.
м3 – 79 %
Объем метана, прореагировавшего по реакции (2.5):
=51,84•0,4150702=21,517 м3 ;
- по реакции (2.6):
=51,84•0,5582898=28,942 м3;
- по реакции (2.7):
=51,84•0,5582898=28,942 м3;
=51,84•0,02664=1,381 м3.
Находим массу метана:
= =37,03 кг;
- прореагировавшего по реакции (2.5):
= =15,3693 кг;
- прореагировавшего по реакции (2.6):
= =20,673 кг;
- прореагировавшего по реакции (2.7):
= =0,9864 кг.
Находим массу кислорода, подаваемого в камеру сжигания:
= =131,7143 кг.
Находим массу азота, подаваемого в камеру сжигания вместе с воздухом:
= =433,5625 кг.
Находим массу углекислого газа и воды, образующихся по реакции (2.5):
= =42,2656 кг;
= =34,581 кг.
Находим массу окиси углерода и воды, образующихся по реакции (2.6):
= =36,1778 кг;
= =46,5143 кг.
Находим массу углекислого газа, воды и водорода, образующихся по реакции (2.7):
= =2,7126 кг;
= =0,1233 кг;
= =1,1097 кг.
Составим таблицу материального баланса.

Таблица 2.3- Стадия сжигания природного газа.
Приход кг % Расход кг %
Воздух, в т.ч.:
N2
O2
Природный газ, в т.ч.:
СН4
N2 565,2768
433,5625
131,7143

39,73
37,03
2,7 100
79
21

100
96
4 СО2
СО
Н2О
Н2
N2

 44,9782
36,1778
82,205
0,1233
436,2625

 7,5
6,03
13,74
0,02
72,71


Всего 605  Всего 600 100

Материальный баланс стадии конверсии оксида углерода водяным паром.
Данный метод широко используют в промышленных масштабах и осуществляют по реакции (2.2).
Расчет производим для степени конверсии 95%.
Находим массу прореагировавшего оксида углерода:
=36,1778•0,95=34,37 кг.
Находим массу непрореагировавшего оксида углерода:
=36,1778•0,05=1,81 кг.
Находим массу прореагировавшей воды:
= =22,095 кг.
Находим массу выделившегося углекислого газа:
= =54,01 кг.
Находим массу выделившегося водорода:
= =2,455 кг.
Составим таблицу матбаланса.

Таблица 2.4- Стадия конверсии окиси углерода.
Приход кг % Расход кг %(масс) м3 %(об.)
СО
СО2
Н2О
Н2
N2 36,1778
44,9782
82,205
0,1233
436,2625 6,03
7,5
13,74
0,02
72,71 СО
СО2
Н2О
Н2
N2 1,81
98,9882
60,11
2,5783
436,2625 0,31
16,5
10,02
0,43
72,71 1,448
50,394
74,8
28,877
349,01 0,287
9,99
14,83
5,72
69,175
Всего 600 100 Всего 600 100 504,53 100







2.5 Тепловой баланс

Стадия сжигания природного газа, реакция (2.2). Уравнение теплового баланса имеет вид:
Qвх+ Qр-ции= Qвых+ Qпот; (2.8)
Qвх=сi•υi•tвх; (2.9)
Qвых=сi•υi•tвых; (2.10)
Qпот=3% Qприх; (2.11)
υ (СН4)вхобщ=37,03/16=2,314 кмоль;
υ (О2)вхобщ=131,7143/32=4,16 кмоль;
υ (N2)вх/выхобщ=436,2625/28=1558кмоль;
υ (СО2)вых=42,2656/44=0,96 кмоль;
υ (Н2О)вых=34,581/18=1,92 кмоль.
Тепловой баланс реакций (2.5), (2.6), (2.7).
Приход тепла:
- с природным газом:
Q1вх=35,79•2,314•20=1656,36 кДж;
- с кислородом:
Q2вх=29,36•4,116•20=2416,915 кДж;
- с азотом:
Q3вх=29,10•15,58•20=9067,56 кДж.
Расход тепла реакции (2.5):
- с углекислым газом:
Q1вых=37,13•0,96•700=24951,36 кДж;
- с водяным паром:
Q2вых=34,34•1,92•700=46152,96 кДж;
- с азотом:
Q3вых=29,10•15,58•700=317364,6 кДж.

Qр-ции (2.5)= = =18235 кДж; (2.12)
ΔНр= (2(-241,84)-393,51)-(-74,85)=-802,34 кДж/моль•К.
Тепловой баланс реакции (2.6).
υ (СО)вых=36,1778/28=1,292 кмоль;

υ (Н2О)вых=46,5143/18=2,584 кмоль.
Расход тепла реакции (2.6):
- с окисью углерода:
Q1вых=29,15•1,292•700=26363,26 кДж;
- с водяным паром:
Q2вых=34,34•2,584•700=62117,264 кДж;
Qр-ции (2.6) = =185,47,5 кДж.
ΔНр= (-2-241,84-110,5)-(-74,85)=-519,33 кДж/моль•К.
Тепловой баланс реакции (2.7).
υ (СО2)вых=2,7126/44=0,06165 кмоль;
υ (Н2)вых=0,1233/2=0,06165 кмоль;
υ (Н2О)вых=1,1097/18=0,06165 кмоль.
Расход тепла реакции (2.7):
- с углекислым газом:
Q1вых=37,13•0,06165•700=1602,35 кДж;
- с водородом:
Q2вых=28,98•0,06165•700=1246,748 кДж;
- с водяным паром:
Q3вых=34,34•0,06165•700=1481,943 кДж;
Qр-ции (2.7) = =280250 кДж;
ΔНр= (-241,84-393,51)-(-74,85)=-560,5 кДж/моль•К.


Составим таблицу теплового баланса.
Таблица 2.5- тепловой баланс процесса сжигания природного газа.
Приход кДж Расход кДж
1 2 3 4
1. Тепло, вносимое с исходными веществами, в т.ч.:
СН4
O2
N2
2. Тепло химической реакции:
Qр-ции (2.5)
Qр-ции (2.6)
Qр-ции (2.7) 13140,835




1656,36
2416,915
9067,56



18235
18547,5
280250 1. Тепло, уносимое с продуктами реакции, в т.ч.:
СО2
СО
Н2О
N2
2. Потери тепла: Qпот
 481280,48


26553,71
26363,26
109752,16
317364,6

9905,2
Итого Qприх 330173,34 Итого Qрасх 491185,68


Qвых= Qприх- Qпот=330173,34-9905,2=320268,14 кДж; (2.13)
tвых= = =
= 466°С. (2.14)




2.6 Технологический расчет

2.6.1 Технологический расчет конвертора

2.6.1.1 Диаметр конвертора

Диаметр конвертора расчитываем по формуле:
  ,     (2.16)
где V – объемный расход по сухому газу в аппарате, м3/ч;
ω – скорость газовой смеси в аппарате, м/с.
Объемный расход по сухому газу в аппарате определяем по формуле:
V= Vд•k, (2.17)
где Vд – производительность аппарата действующего производства, м3/ч. Для конвертора Vд = 580 м3/ч;
к – коэффициент увеличения производительности.
, (2.18)
где М - проектная мощность производства, М =1300 м3/ч;
М’ – мощность действующего производства, М’ =1200 м3/ч.
=1.083;
V= 580•1,083= 628 м3/ч.
Принимаем V= 630 м3/ч.
Скорость газовой смеси в аппарате определим исходя из опытных данных: для низкотемпературных катализаторов марки СНК, КСО, НТК-4 рекомендуемая скорость газовой смеси лежит в пределах 0,1 – 0,2 м/с. Принимаем ω = 0,12 м/с.
м = 1362 мм.

Принимаем стандартный внутренний диаметр конвертора d = 1400 мм[36].
Тогда реальная скорость газовой смеси, м/с составит:
ω = м/с, (2.19)

что находится в рекомендуемом интервале значений.

2.6.1.2 Расчёт диаметров штуцеров конвертора

Диаметр штуцера входа и выхода газовой смеси, м рассчитывается по формуле:
, (2.20)
где = 630 м3/ч – объёмный расход среды в трубопроводе;
- скорость в трубопроводе, м/с . Рекомендуемая скорость в трубопроводе 6-10 м/с. Принимаем скорость в трубопроводе =6 м/с.
м.
Принимаю стандартный диаметр штуцеров с условным проходом 200 мм [32].
Диаметры остальных штуцеров принимаем конструктивно аналогично аппарату действующего производства.

2.6.1.3 Расчёт высоты слоя катализатора в конверторе

Высоту слоя катализатора в конверторе определим по формуле:
  ,  (2.21)
где Vк – объем катализатора в конверторе, м3.
 Vк= , (2.22)

где V=630 м3/ч – производительность конвертора;
Qk = 130 м3/ч на 1 м3 – объемная скорость катализатора по сухому газу.
Vк= м3;
м.
Принимаем общую высоту катализатора в аппарате Н=3,2 м с разделением на две секции по 1,6 м каждая.

2.6.1.4 Расчёт толщины тепловой изоляции конвертора

В качестве материала теплоизоляции принимаем плиты минераловатные на синтетическом связующем полужёсткие марки 125. Покрывной слой теплоизоляции предполагается выполнить из гладкокрашеной фланели.
Коэффициент теплопроводности теплоизоляции, :
, (2.23)
где - теплопроводность изоляции при 0°С, = 0,049 [42];
b – температурный коэффициент, b = 0,0002 [42] ;
- температура внутренней поверхности теплоизоляции, = 270°С;
- температура наружной поверхности теплоизоляции, = 40°С.
.
Толщина теплоизоляционного слоя, , м
, (2.24)
где - наружный диаметр корпуса конвертора, мм;
- безразмерный коэффициент.
, (2.25)
где S - толщина стенки корпуса конвертора, S = 6 мм.
мм;
, (2.26)
где t - температура изолируемой стенки, t = 270°С;
- температура на поверхности теплоизоляции, = 40°С;
- коэффициент теплоотдачи от поверхности теплоизоляции в окружающий воздух, = 6,9 [42] .
;
.
м.
Принимаем = 0,1 м.


2.6.2 Технологический расчет адсорбера

2.6.2.1 Диаметр адсорбера

Диаметр адсорбера расчитываем по формуле (2.16):
  ,     
где V – объемный расход по сухому газу в аппарате, м3/ч;
ω – скорость газовой смеси в аппарате, м/с.
Объемный расход по сухому газу в аппарате определяем по формуле (2.17):
V= Vд•k,
где Vд – максимальная производительность аппарата действующего производства, м3/ч. Для адсорбера Vд = 450 м3/ч;
к = 1,083 коэффициент увеличения производительности.
V= 450•1,083= 487 м3/ч.
Принимаем V= 490 м3/ч.
Скорость газовой смеси в аппарате определим исходя из опытных данных: для адсорбента цеолита марки NaX рекомендуемая скорость газовой смеси лежит в пределах 0,1 – 0,2 м/с. Принимаем ω = 0,1 м/с.
м = 1316 мм.

Принимаем стандартный внутренний диаметр адсорбера d = 1400 мм [36].
Тогда реальная скорость газовой смеси, м/с составит (2.19):
ω = м/с
что находится в рекомендуемом интервале значений.

2.6.2.2 Расчёт диаметров штуцеров адсорбера

Диаметр штуцера входа и выхода газовой смеси, м рассчитывается по формуле (2.20):
,
где = 490 м3/ч – объёмный расход среды в трубопроводе;
- скорость в трубопроводе, м/с . Рекомендуемая скорость в трубопроводе 6-10 м/с. Принимаем скорость в трубопроводе =8 м/с.
м.
Принимаю стандартный диаметр штуцеров с условным проходом 150 мм [32].
Диаметры остальных штуцеров принимаем конструктивно аналогично аппарату действующего производства.

2.6.2.3 Расчёт высоты слоя адсорбента в адсорбере

Высоту слоя адсорбента в адсорбере определим по формуле:
  ,  (2.27)
где Vа – объем адсорбента в адсорбере, м3.
 Vа= , (2.28)
где V=490 м3/ч – производительность адсорбера ;
Qk = 140 м3/ч на 1 м3 – объемная скорость адсорбента по сухому газу.
Vа= м3;
м.
Принимаем общую высоту адсорбента в адсорбере Н=2,3 м.


2.7 Гидравлический расчет

Поскольку высота катализатора и адсорбента, диаметры штуцеров, высота обечаек в проектируемых аппаратах такие же как и в аппаратах на действующем производстве, то в этам случае принимаем гидравлические сопротивления потоку среды такие же: для конвертора – 13 кПа; для адсорбера – 10 кПа.


3 Описание конструкции и принципа работы аппарата

3.1 Описание работы конвертора

3.1.1 Назначение конвертора
Конвертор предназначен для каталитической очистки продуктов неполного сгорания природного газа от окиси углерода и обогащения их водородом.

3.1.2 Конструкция конвертора
Конвертор представляет собой цилиндрический сосуд из нержавеющей стали диаметром 1,2 м, высотой 4 м, разделенный по высоте пополам решеткой из нержавеющей стали. Конвертор заполняется низкотемпературным катализатором. В боковой поверхности конвертора имеются два люка для выгрузки катализатора. Сверху конвертор закрывается крышкой на фланцевом соединении. Вход продуктов горения, насыщенных водяным паром, осуществляется в верхнюю часть конвертора. Отвод очищенных от окиси углерода продуктов горения осуществляется снизу через патрубок в боковой поверхности конвертора. По высоте конвертора установлены 4 термоэлектрических термометра типа ХК для контроля температуры катализатора. Снаружи конвертор имеет тепловую изоляцию из шамота-легковеса.
 
3.1.3 Описание технологического процесса конверсии окиси углерода
Продукты неполного сгорания природного газа с температурой 160-270oС, насыщенные парами воды, поступают из блока сжигания в конвертор. Каталитическая очистка продуктов неполного сгорания природного газа от окиси углерода происходит на поверхности катализатора по реакции конверсии окиси углерода водяным паром:

     кат.
СО + Н2О     СО2 ÷ 9,6 ккал.

После конвертора продукты сгорания подаются в блок воздушного охлаждения.





3.2 Описание работы блока адсорбционной очистки

3.2.1 Назначение, состав блока адсорбционной очистки

Блок предназначен для очистки конвертированных продуктов сгорания
природного газа от углекислого газа и паров воды.
Блок адсорбционной очистки состоит из следующих основных узлов:
-трех адсорберов;
-фильтров;
-вакуумной системы;
-щит системы автоматического управления вакуумной запорной арматурой.

3.2.2 Конструкция адсорбера

Адсорбер представляет собой цилиндрический сосуд диаметром 1,2 м,
высотой 2,7 м. В нижней части адсорбера имеется распределитель потока, который представляет собой слой засыпанных колец из стальных труб диаметром 25-50 мм. Кроме распределения потока слой колец снижает температуру продуваемого через него газа в режиме адсорбционной очистки за счет того, что в режиме адсорбции поглощенных цеолитом веществ, слой охлаждается. Над распределителем потока расположена решетка с металлической сеткой. Такая же решетка установлена и в верхней части адсорбера. Между решетками засыпан цеолит NаХ. На боковой поверхности адсорбера расположены два люка для выгрузки цеолита. Сверху адсорбер закрывается крышкой на фланцевом соединении. Объем цеолита в адсорбере составляет 2,5 м3, вес цеолит