Файл: Эстрин, Б. М. Производство и применение контролируемых атмосфер (при термической обработке стали).pdf

S'

п

S'a

п.

AS' =

\-ч S'

} At.

— ;

Q = \ — а Д /

= —

Na = k Re'" (TJT„)»,

(V-26)

где Гц — температура

в центре слоя, °К-

I

\\

woo

1200

\

800

2

J)

1

а

1

t,°C

500

600

700

| 1200

I 800

S WO

1

.

У

500

600

700

800 {„'С

ружной

поверхности (кривая

1)

трубы реактора агрегата типа

ДАЦ-150:

а — п р и

производительности

160

м3 /ч; 6 — при производительности

300 м3 /ч

wr=wo6'F.

(V-27)

d3 = — .

d

(V-28)

3

1 — F

к '

d3 =

4Fja.

(V-29)

Следовательно,

/je =

!i!EPd =

M

^

,

(V-30)

•П

04

где

р г — плотность

газа;

т| — динамическая вязкость газа.

Заметив, что wr

рг

является

массовой скоростью дом,

получаем

Re=^-. аг|

(V-31)

Критерий

Нуссельта для

рассматриваемого

случая

примет вид

Afa = j £ L

- ( V - 3 2 )

где К — коэффициент теплопроводности

газа.

За поверхность теплообмена принималась наружная

поверхность частиц

катализатора.

Значения

коэффициента

k и показателей

степеней

т и п в уравнении

(V-26),

вычисленные

корреляцион­

ным

методом,

равны

соответственно

7,38-Ю- 3 ;

0,810 и

1,0.

Показатель

степени

m » 0 , 8

характерен

для

описа­

ния теплообмена при турбулентном движении

газов.

Сообразно с изложенным можно наметить порядок расчета аг­

регата диссоциации с реактором в виде труб.

1. Задавшись

производительностью

(при нормальных

условиях)

Q агрегата, температурой на поверхности реактора ГР , температурой

печи

Тп, отношением

FvjF^

(F$ — внутренняя

поверхность футе­

ровки), по уравнению (V-22) находят

поверхность реактора Fv на

участке теплообмена

(начальный участок).

Fp/Fj,

Пример: Q=400 м3 /ч;

Г Р = 998°К;

Г П = 1 1 9 4 ° К ;

=0,775.

Решая уравнение Кирхгофа

г2

64

т,

ДЯ =

— 19105 — 9,92 Г — 1,15-10" -з 7-2 _[_о,33-10- 5 7"'

(V-33)

Количество тепла, необходимое на разложение аммиака, вычис­

ленное по уравнению

(V-33), составляет 120000 ккал/ч.

Допустим, что реакция

(V-1) в начальном слое

протекает в об­

ласти

внешней диффузии.

Тогда

Q = 0,9-120000= 108000 ккал/ч, и

поверхность

реактора

по формуле

(V-22) получается равной

108000

1194

998у

4,9

100

2,16 л<2 .

— +0,7751

„

0,9

10,9

2.

Выбрав диаметр трубы, задавшись температурой

в

слое,

содержанием

NH3

на

выходе из начального слоя

(принимают

ус­

ловно

равным 5 % ) , по уравнению

(V - 16) находят

объем

катализа­

тора

Vh, предварительно

определив по уравнению

(V - 17)

значение

При

выборе диаметра трубы следует иметь в виду, что поток

в слое

катализатора даже при малых скоростях имеет тенденцию

бодном

поперечном

сечении

и диаметром

частиц

d

зависимостью

a =

wd/8,

(V - 34)

из

чего

следует, что с уменьшением диаметра трубы

тепловая инер­

ционность слоя катализатора

падает.

Однако с

уменьшением

диаметра

возрастают

гидравлическое

сопротивление

и необходимое количество

труб (следовательно, ко­

личество стыков в реакторе).

Совместный анализ факторов, влияющих на выбор диаметра

трубы, показал, что наиболее рациональное значение этого показа­

теля для реакторов

производительностью

100 и

более ы3/ч состав­

ляет 50 мм (внутренний диаметр).

3. Задавшись количеством труб в реакторе, зная Уп и Fv, оп­

ределяют два значения высоты и берут большее

из них.

4.

Далее

следует убедиться в том, что слоем катализатора, ог­

раниченным участком теплообмена, будет усвоено тепло Q, т. е.

удостовериться в том, что процесс не лимитируется

условиями внут­

ренней теплоотдачи.

Проверку ведут по критериальному уравнению

(V-2fJ).

Определив значение Re, зная температуру слоя и на поверхно­

сти реактора, находят значение критерия Нуссельта, а по нему вы­

числяют коэффициент теплоотдачи а.

Величину 5 и соответствующий ей объем VH

катализатора в на­

чальной зоне находят по формуле

Q = a ( T p - T 4 ) S .

(V-35

Если VH окажется

больше

У н тогда

принимают

V н .

5—391

65

5. На

основе зависимости (V-20) определяют общий объем ка;

тализатора Vn.

Для

обеспечения устойчивой работы катализатора в течение

5 лет найденный объем увеличивают в 1,5 раза.

Идентификация формы, движения

в слое

катализатора

Ар = CHw''0

(V-36)

где

Ар — потеря давления, кгс/м2 ;

С— постоянная

величина;

Н — высота слоя, м;

wM

— массовая скорость,

отнесенная к

свободному

сечению трубы реактора, кг/(м2 -ч).

Экспериментальные

данные, полученные

при

темпе­

ратуре

в слое,

равной

900° К,

при среднем

диаметре зе­

рен

5,7

мм и

порозностн 0,41,

были обработаны

в соот­

формы движения

( 1 < / г < 2 ) , близкой

к турбулентной.

Коэффициент

С

для указанных

условий равен

2,7-Ю-3 .

АГРЕГАТЫ ДИССОЦИАЦИИ АММИАКА ТИПА ДАЦ

Перейдем к рассмотрению крупных

промышленных

агрегатов диссоциации

аммиака типа

ДАЦ [23, с. 133—

санных выше

результатов исследования. Основным уз­

лом агрегата

является диссоциатор

(рис.

16),

состоя­

щий из электропечи и реактора,

выполненного

из труб

60X5 мм, расположенных по

внутреннему

периметру

печи и объединенных вверху и внизу двумя

коллектора­

ми. Через нижний коллектор

в

двух

местах

подводится

предварительно подогретый

в теплообменнике (рис. 17)

газообразный

аммиак,

через верхний — отводится смесь

Н 2 — N 2

стехиометрического

состава

(75%Н2 , 25%N2 ).

Электропечь снабжена нагревателями открытого из­

лучения,

выполненными

в виде

объемного зигзага из

проволоки

диаметром

10 мм сплава

Х20Н80. В соответ­

ствии с потреблением

тепла

в слое

катализатора (см.

выше)

в той части печи,

где расположена

начальная зо­

на, имеется

самостоятельно

регулируемая

тепловая зо­

на с потребляемой мощностью W, равной

W > QP

+

<2ф +

QnoT

ккал'ч,

где

Qp—все

количество

тепла, необходимое

на раз­

ложение

аммиака;

С}ф—количество

тепла, необходимое

на

подогрев

газообразного аммиака

до температуры

в

слое;

QIIOT — тепловые

потери через

кладку на участке

начальной

зоны.

Для

концентрированного

подвода

тепла

в зону наи­

более интенсивного

протекания

реакции

разложения ам­

миака

часть

нагревательных элементов размещена внут­

ри реактора

(рис. 16).

Регулирование температуры

в печи

осуществляется

бесконтактным

методом

(рис. 18). Т. э. д. с. термопары

поступает

в

автоматический

электронный потенциометр

с реостатным

датчиком,

сигнал

которого

передается

в

Т а б л и ц а

7

Показатели работы агрегата ДАЦ-150

5*

67