Моделирование работы теплообменного аппарата узла регенерации

Размещено на http://allbest.ru

Оглавление

Введение

1.Общие сведения о кислородном цехе

1.1 Технологический процесс разделения воздуха

1.2 Техническая оснащенность кислородного отделения

1.2.1Участок разделения воздуха

1.2.2 Участок компрессии воздуха

1.2.3 Отделение компрессии кислорода и азота

1.2.4 Участок редких газов

1.3 Воздухоразделительная установка «Linde»

1.3.3 Описание воздухоразделительной установки

1.3.4 Краткое описание технологического процесса

2. Расчет теплообменного аппарата Е2617

2.1 Тепловой конструктивный растет ТОА

2.2 Компоновочный расчет теплообменного аппарата

2.3 Гидродинамический расчет теплообменного аппарата

2.4 Экономический расчет

3. Энергосбережение

4. Охрана труда

4.1 Вредные и опасные вещества в воздухоразделительных установках и способы защиты от них

4.2 Требования к помещениям по размещению оборудования

4.3 Анализ установки на возможность аварии, способы защиты

4.4 Пожарная профилактика

4.5 Испытание сосудов работающих под давлением

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ источников опасности и вредностей

5.1.1 Анализ условий труда в кислородном цехе

5.1.2 Технологическое оборудование, его характеристики

5.2 Оценка опасных и вредных производственных факторов

5.3 Расчет и оценка сопротивления защитного заземления электрооборудования

5.3.1 Введение и исходные данные

5.3.2 Расчет сопротивления защитного заземления электрооборудования

5.3.3 Оценка эффективности защиты заземляющего устройства

5.4 Оценка устойчивости здания кислородного цеха при взрыве газовоздушной смеси

5.4.1 Введение и исходные данные

5.4.2 Определение избыточного давление во фронте ударной волны

5.4.3 Оценка устойчивости здания

Заключение

Список использованных источников

Введение

На ПАО «НЛМК» метод получения кислорода для промышленного производства основан на методе ректификации (процессе разделения жидких смесей на их составные части путём многократного испарения жидкости) - глубокого охлаждения. Метод основан на сжижении воздуха путём охлаждения его до температуры кипения и последующего разделения на отдельные составляющие.

На территории комбината кислород транспортируется в различных состояниях и при разном давлении, как один из продуктов процесса глубокого охлаждения. Согласно требуемым параметрам он подается на технологические нужды. Например, для процессов выплавки чугуна и стали, зачистки и резки слитков в сталепрокатном производстве, литейном производстве (для интенсификации процесса горения топлива и повышения температуры нагрева чугуна), а так же для сварки. За пределами ПАО «НЛМК» кислород используется в медицинских целях (создания лекарств от астмы).

1. Общие сведения о кислородном цехе

1.1 Технологический процесс разделения воздуха

Кислородный цех организационно состоит из:

а) кислородного отделения №1;

б) кислородного отделения №2;

в) служба сетей, сооружений и компрессорных станций.

Протяжённость сетей трубопроводов по комбинату:

а) сеть трубопроводов для транспортировки кислорода - 76,7 км;

б) сеть трубопроводов для транспортировки сжатого воздуха- 101,4км;

в) сеть трубопроводов для транспортировки азота- 70,7 км;

г) сеть трубопроводов для транспортировки аргона- 28,9 км;

Суммарная протяженность 277,7км.

Кислородный цех один из самых энергоёмких производств комбината, потребляя 33,3% от общего объёма выработки электроэнергии. На ПАО «НЛМК» техника получения кислорода для промышленного производства основана на методе ректификации (процессе разделения жидких смесей на их составные части путём многократного испарения жидкости) - глубокого охлаждения.

Метод основан на сжижении воздуха путём охлаждения его до криогенной температуры и последующего разделения на его составляющие.

Технологический процесс разделения воздуха состоит из следующих этапов:

а) очистка воздуха от пыли и других вредностей;

б) сжатие воздуха в компрессорах;

в) очистка сжатого воздуха от двуокиси углерода;

г) осушка сжатого воздуха и очистка его от углеводородов;

д) сжижение и ректификация воздуха для разделения на кислород, азот, аргона, криптон - ксенона, неон - гелия;

е) сбор полученных жидких продуктов разделения;

ж) наполнение газообразными сжатыми продуктами баллонов, подача сжатых продуктов потребителю по трубопроводам и наполнение цистерн жидкими продуктами разделения;

з) очистка редких газов от кислорода и азота и доведением их концентрации до требований ГОСТа и наполнение этих газов в баллоны.

1.2 Техническая оснащенность кислородного цеха

Отделение №1оснащено:

1.2.1 Участок разделения воздуха

На участке разделения воздуха функционирует следующее оборудование:

а) блок №1, 2 -установка АКт-30 (30000 м³/ч азота, технологического кислорода 17000 м³/ч, криптоноксенонового концентрата 20-25 м³/ч);

б) блок №4, 5 - установка «Linde» (40000 м³/ч азота, 34000 м³/ч кислорода, 1000 м³/ч аргона, 50 м³/ч криптоноксенонового концентрата, 6 м³/ч неоногелиевой смеси);

в) блок №9 - установка АКАр-40 (40000 м³/ч азота, 35000 м³/ч, криптоноксенонового концентра 25-50 м³/ч, неоно-гелиевой смеси 3-6 м³/ч);

г) блок №10- установка КААр-30М (34000 м³/ч кислорода, азота 40000м³/ч, аргона 500-990 м³/ч, криптоноксенонового концентра 25-50 м³/ч, неоногелиевой смеси 3-6 м³/ч);

д) установка очистки аргона от кислорода СОАр.

1.2.2 Участок компрессии воздуха

На участке компрессии воздуха эксплуатируются:

а) 5 компрессоров К-3000-61-1 с приводом от турбины;

б) 4 компрессора К-1500-62-2 с приводом от электродвигателя (ЭД);

в) 2 компрессора К-1700-62-2 с приводом от ЭД.

1.2.3 Отделение компрессии кислорода и азота

На участке компрессии кислорода и азота расположено:

а) 6 кислородных компрессоров КТК - 12,5/35 с приводом от ЭД;

б) 3 азотных компрессора К-345-92-1 с приводом от ЭД;

в) азотный компрессор КТК-12,5/8 с приводом от ЭД;

г) 2 азотных компрессора КТК-7 с приводом от ЭД;

д) 3 азотных компрессора КТК-12,5/35 с приводом от ЭД;

е) 5 газодувок ТГ-200-1,4 с приводом от ЭД;

1.2.4 Участок редких газов

На участке редких газов функционирует:

а) установка УСК-1М для получения криптоноксеноновой смеси;

б) установка обогащения неоногелиевой смеси (УОНГС);

в) наполнители кислорода и аргона.

Основными потребителями кислорода являются: доменный цех-1 (ДЦ-1), доменный цех-2 (ДЦ-2), конвертерный цех-1 (КЦ-1), конверторный цех-2 (КЦ-2), ТЭЦ и др.

Технический кислород от ВРУ кислородного отделения №1 и кислородного отделения №2 поступает на всасывание кислородных компрессоров КТК - 12,5/35 и ЦКК - 400/40.

Кислород после кислородных компрессоров давлением до 3,2 МПа поступает в кислородо-распределительные пункты №1 и №2 (далее по тексту КРП-1 и КРП-2).

Кислород от КРП-1 давлением 1,7МПа подается в КЦ-1 и давлением 1,5МПа на автогенные нужды газового цеха; ДЦ-1; КЦ-1; коксохимического производства (КХП); КИПиА; теплосилового цеха (ТСЦ); производство горячего проката (ПГП).

Технический кислород от КРП-2 давлением 1,6 МПа подается в КЦ-2 и на автогенные нужды КЦ-2, ДЦ-2,ремонтного цеха сталеплавильного оборудования-2 (РЦСО-2), ремонтного цеха прокатного оборудования (РЦПО-1-2), производства холодного проката и покрытий (ПХПП) и прочие.

В ДЦ-1 и ДЦ-2 кислород используется для интенсификации техно-логического процесса.

В КЦ-1 и КЦ-2 кислород нужен для получения стали и чугуна и резки слябов.

1.3 Воздухоразделительная установка «Linde»

1.3.1 Технические характеристики перерабатываемого воздуха на входе в систему предварительного охлаждения

Технологический воздух:

а) в 100% режиме работы 174000нм³/ч

б) в 70 % режиме работы 124000нм³/ч.

1.3.2 Производительность вру по отдельным продуктам разделения и их параметры

Кислород газообразный 34000нм³/ч, концентрация 99,6 %, давление 1,2 бар. воздух кислородный цех испаритель теплообменный

Кислород жидкий 600нм³/ч, концентрация 99,7%, давление 1,2-3 бар.

Азот газообразный 40000нм³/ч, концентрация 0,0005%, давление 1,05 бар.

Азот жидкий 200нм³/ч, концентрация 0,0005%, давление 1,2 бар.

Аргон чистый жидкий 1000нм³/ч, концентрация 99,998%, доля 0,0005%, доля 0,0005%, давление 1,2-3 бар.

Сырой Kr-Xe газообразный 50нм³/ч, концентрация Kr-Xe 0,35%, давление 1,05-1,1 бар.

Сырой Ne-He газообразный 6нм³/ч, концентрация Ne-He 50%, давление 5,7 бар.

1.3.3 Описание воздухоразделительной установки

Принцип работы ВРУ основан на охлаждении, очистке и последующем разделении предварительно сжатого атмосферного воздуха на кислород, азот, аргон и другие составляющие.

ВРУ представляет собой конструкцию, состоящую из арматуры, машинного оборудования, аппаратов и трубопроводов.

Часть аппаратов, арматуры и трубопроводов, с целью уменьшения потерь холода в окружающую среду, заключены в металлические кожухи, заполненные перлитом.

Арматура, необходимая для управления работой ТДК, с целью удобства эксплуатации размещена в отдельном блоке.

Для ведения технологического процесса, ВРУ имеет систему контроля и управления.

Обозначения оборудования, арматуры, аппаратов и трубопроводов приведены согласно принципиальной схемы ВРУ Linde.

Технологическая схема построена с применением блока комплексной очистки воздуха (БКО).

1.3.4 Краткое описание технологического процесса

Основным принципом процесса является разделение воздуха на различные компоненты с различными парными давлениями.

Сжатый технологический воздух, пройдя систему азото-водяного охлаждения (АВО), которая состоит из азотного скруббера (Е2417) и воздушного скруббера (Е2416), воздух направляется в блок комплексной очистки (БКО), который состоит из двух попеременно работающих адсорбера (А2626А/В), заполненных цеолитом.

Пройдя через цеолит (молекулярные сита) воздух очищается от водяных паров, углеводородов, частично от ацетиленов. Адсорберный блок попеременно циклично регенерируется отбросным азотом, подогреваемым в (Е2617) за счёт перегретого пара.

Далее основная часть воздуха направляется в теплообменные аппараты(Е3117А/В; Е3118; Е3119А/В; Е6124), где воздух охлаждается с газообразными продуктами разделения почти до температуры сжижения и вдувается в нижнюю колонну (Т3211) в количестве 97300 Нм³/ч.

Часть воздуха в количестве 41100 нм³/ч отводится в конденсатор колонны сырого Kr-Xe(Т5111), откуда он после конденсации стекает в нижнюю колонну.

С этой линии жидкого воздуха в количестве 50 Нм³/ч отдувается Ne+He+H₂ в куб колонны Ne-He(Т6111).

Часть воздуха в количестве 23000 Нм³/ч отбирается после БКО на поток к турбодетандеру. Воздух этого потока проходит теплообменник (Е3429) и направляется в один из бусторных компрессоров (С3420А/В), где сжимается до 9,2 бар.

После подогретый в (С3420А/В) воздух охлаждается в теплообменнике(Е3421) оборотной водой и в теплообменнике (Е3429) до температуры плюс 28⁰С, далее он транспортируется в основное теплообменное оборудование (Е3117А/В; Е3118; Е3119А/В), откуда после охлаждения доминус114 ⁰С выводиться из середины теплообменников и поступает в турбодетандер (Х3471А/В), где за счёт расширения до 1,5бар охлаждается до минус 173 ⁰С, и поступает в середину верхней колонны (В.К.) Т3212.

В нижней колонне (Н.К.) Т3211 воздух разделяется на азот и кубовую жидкость обогащённую кислородом. Кубовая жидкость пройдя теплообменник-испаритель (Е4119) направляется в конденсаторы Е4116 колонны (Т4111) и Е4118 колонны (Т4112).

Газообразный азот из головы нижней колонны поступает в основной конденсатор (Е3226), где конденсируется в противотоке жидкого кислорода за счёт разности давлений, идёт на орошение нижней колонны (Т3211).

С этой линии жидкого азота отдувается Ne+He+H₂ в количестве 550 нм³/ч в куб колонны Ne-He(Т6111).

Из головы нижней колонны (Т3211) отбирается 200 нм³/ч азота, который пройдя теплообменный аппарат(Е6424), используется в качестве регенерирующего газа для адсорберов жидкого кислорода (А3327А/В).

С кармана верхней части Н.К., через теплообменное оборудование переохладителя жидкости (Е3316) отбирается жидкий азот для орошения в верхней колонне и в конденсатор-дефлегматор (Е6116) колонны Т6111. Есть так же возможность подачи жидкого азота потребителю.

С кармана нижней части нижней колонны отбирается грязная азотная флегма в количестве 33000 Нм³/ч, которая пройдя переохладитель жидкости (Е3316)поступает на орошение в верхнюю колонну (Т3212).

В верхней колонне (Т3212) продолжается разделение воздуха на кислород, чистый и отбросной азот.

Чистый азот 66500 Нм³/ч пройдя переохладитель жидкости (Е3316), основные теплообменники (Е3119А/В), нагревается до температуры окружающей среды, отпускается потребителю в количестве 40000 Нм³/ч, остальная часть продукционного азота идёт в азотный скруббер (Е2417) для охлаждения воды.

Отбросной азот с концентрацией 96,7% в количестве 60000 нм³/ч пройдя через (Е3316, Е3117А/В) направляется на регенерацию адсорберов блока комплексной очистки (А2626А/В) в количестве 39000 нм³/ч. Остальное количество идёт в азотный скруббер (Е2417).

Жидкий кислород накапливается в кубе верхней колонны (Т3212), откуда насосом (Р3366А/В) в количестве 232000 нм³/ч он перекачивается в основной конденсатор (Е3226), остальная часть идёт на орошение колонны сырого Kr-Xe(Т5111) в количестве 5900 нм³/ч.

Есть также возможность подачи жидкого кислорода потребителю. В основном конденсаторе (Е3226) происходит частичное испарение жидкого кислорода, за счёт конденсации азота.

В результате испарившейся кислород, смешивается с избытками продукционного кислорода из колонны Kr-Xe(Т5111), возвращается в В.К. Часть оставшегося жидкого кислорода подаётся в середину колонны сырого Kr-Xe(Т5111), а часть идёт по защищенному циркуляционному контору через адсорберы (АЖК А3327А/В) в количестве 19700 нм³/ч и возвращается в середину (Т5111). В колонне сырого Kr-Xe происходит разделение на:

· продукционный кислород, который пройдя основной теплообменник (Е3118) подаётся потребителю в количестве 33000 нм³/ч;

· кубовую жидкость, содержащую 0,5% Kr-Xe.

Кубовая жидкость подаётся на всасывание насоса сырого Kr-Xe(Р5266), который сжимает смесь до 50 бар, таким образом происходит сдвиг газообразного состояния в сверхкритическую область. Сжатая жидкая смесь сырого Kr-Xe испаряется в (Е5216) за счёт теплообмена с оборотной водой АВО и подаётся в линию комбината.

Из аргонной части верхней колонны (Т3212) отбирается аргонная фракция концентрацией 88% в количестве 31000 нм³/ч в колонну сырого аргона (Т4110) и (Т4111), где продолжается обогащение газовой аргонной фракции. Из куба (Т4110) жидкость перекачивается насосом (Р4565) в В.К. в количестве 28000 нм³/ч. «Пары» аргона из (Т4110) вдуваются вниз колонны (Т4111) в количестве 31600 нм³/ч, где происходит окончательное отделение аргона от кислорода.

Из куба колонны технического аргона (Т4112) жидкость насосом (Р4566) подаётся на орошение колонны (Т4110), в количестве 30900 нм³/ч. Из головы колонны технического аргона (Т4111)газообразный аргон подаётся в конденсатор (Е4116), где он частично конденсируется за счёт испарения кубовой жидкости.

Испарившаяся и оставшаяся в жидком состоянии кубовая жидкость возвращается в верхнюю колонну.

Не сконденсированный аргон из (Е4116) в количестве 1100 нм³/ч поступает в колонну чистого аргона (Т4112), где происходит дополнительное очищение аргона от азота, этот азот отдувается из головы (Т4112).

Жидкий аргон высокой чистоты подаётся из куба колонны (Т4112) потребителю.

Для получения Ne+He+H2 смеси предусмотрена колонна (Т6111). Из куба (Т6111) жидкость подаётся в конденсатор дефлегматор, где она смешивается с жидким азотом из основного конденсатора (Е3226).

После испарения жидкости азот в количестве 620 Нм³/ч пройдя основной теплообменный аппарат (Е6124) сбрасывается в атмосферу. Продукционный Ne-He составом около 50% отбирается из-под крышки (Т611) и через теплообменник(Е6124) подаётся потребителю в количестве 8 нм³/ч.

Слив жидкости и продувка аппаратов низкотемпературной части ВРУ осуществляется через сливной коллектор на эжектор, где испарение жидких продуктов осуществляется воздухом из общецехового коллектора.

Предусмотрен также коллектор отогрева с воздухом КИПа для местного отогрева и продувки агрегатов: ТДК; Р3366А/В; Р4565; Р4566.

Система АВО представлена азотным (Е2417) воздушным (Е2416) скрубберами; 8 водяными насосами: Р2466А/В, Р2467А/В, Р8466А/В/С/D; градирней (Е8412А/В/С); системой водоподготовки. Подпиточная вода с цехового коллектора держит уровень в ванне градирни (Е8412А/В/С) постоянным.

В градирне происходит охлаждение воды с плюс 28 ?С до 25?С.

Из ванны градирни двумя из четырех насосами (Р8466А/В/С/D) вода давлением 5 бар и расходом 500 нм³/ч подаётся в прямой коллектор холодной воды.

Из этого коллектора часть воды отбирается в систему водоподготовки состоящую из фильтра (S8646) и насосов химической очистки воды (Y8486).

Оставшейся поток воды идёт в теплообменный аппарат (Е5216); охлаждение (Е3421). В количестве 150 Нм³/ч вода из прямого коллектора идёт на всос насосов воды (Р2466А/В), и подаётся в середину воздушного скруббера.

Остальная часть воды подаётся наверх азотного скруббера, где она охлаждается отбросным азотом доплюс 16 ч 17 ?С.

Из куба азотного скруббера одним из насосов холодной воды (Р2467А/В) вода в количестве 80 нм³/ч подаётся наверх воздушного скруббера, где окончательно охлаждает воздух.

Из куба воздушного скруббера вода поступает в обратный коллектор, откуда попадает на охлаждение в градирню (Е8412А/В/С).

В обратный коллектор также возвращается вода из (Е5216; Е3421; Е3435А/В) и конденсат из (Е2617). Прямой и обратный коллектор являются общими для ВРУ №4 и ВРУ №5.

2. Расчет теплообменного аппарата Е2617

Теплообменный аппарат (ТОА) это устройство, в котором осуществляется передача теплоты от горячего теплоносителя к холодному (нагреваемому).

Теплоносителями могут быть газы, пары, жидкости. В зависимости от назначения теплообменные аппараты используют как нагреватели, испарители и как охладители.

В данной выпускной квалификационной работе рассматривается азотный испаритель. В технологической схеме имеет обозначение Е2217.

Схематично участок БКО ВРУ «Linde» представлен на рис.1.

Рисунок 1- Схематическое изображение участка БКО ВРУ «Linde»



Отличие расчета испарителей от расчета теплообменников (нагревателей) и холодильников связано в основном с изменением расчета коэффициентов теплоотдачи, поскольку теплообмен сопровождается изменением агрегатного состояния теплоносителей.

Подогрев азота на данном этапе технологической схемы ведется с целью его отвода для регенерации адсорберов, заполненных цеолитом. Поглощающая способность цеолитов зависит от адсорбируемого газа; она наименьшая для.

Поэтому длительность цикла очистки воздуха и размеры адсорберов при использовании цеолитов определяются степенью очистки воздуха от двуокиси углерода.

После насыщения адсорбционную способность цеолитов необходимо восстановить, т.е. провести их регенерацию.

Регенерацию адсорбента проводят противотоком.

В целях экономии расхода чистого азота для регенерации цеолитов азот из блока, разделения воздуха поступает в подогреватель регенерирующего газа (E2617) и нагретый в нем до 160°С:170°С направляется на десорбцию цеолита в адсорбер (А2626B или А2626А).

Из регенерирующего адсорбера азот выбрасывается в атмосферу, а конденсат перекачивается насосами обратно к источнику (котлу), для повторного превращения в пар.

Давление перегретого пара на входеp=15 кгс/см²;

Температура перегретого пара на входе

Давление конденсата на выходеp=15кгс/см²;

Температура конденсата на выходе

Расход греющий среды

Температура азота на входе

Давление азота на входе p=150мбар;

Температура азота на выходе

Давление азота на выходе p=150мбар;

Расход нагреваемой среды

2.1 Тепловой конструктивный расчет ТОА

Расчет теплообменника проводят последовательно в соответствии с общей блок-схемой [1].

Определение тепловой нагрузки в соответствии с уравнением теплового баланса:

Разобьем ТОА на 3 участка:

I. пар перегрет;

II. конденсация пара;

III. охлаждение конденсата.

Произведем раздельно расчет каждого участка.

1)Определение температуры нагреваемой среды на переходных участках

Для этого построим схему движения теплоносителей в ТОА и отметим все характерные точки:

Рисунок 2- Характер изменения температур рабочих сред при противотоке.

где



где, [2]

2) Определение средне логарифмического напора:

Участок I:

Участок II:

Участок III:

4)Определим среднюю разность температур:

Для теплоносителя, температура которого изменяется в ТОА на меньшее число градусов, среднюю температуру определяют, как среднее арифметическое между начальной и конечной.

Участок I:

Таблица 1-Изменение температур греющей и нагреваемой среды

УчастокII:

Таблица 2- Изменение температур греющей и нагреваемой среды

Участок III:

Таблица 3-Изменение температур греющей и нагреваемой среды

Решение вопроса о том, какой теплоноситель направить в трубное пространство, обусловлено его температурой, давлением, коррозионной активностью, способностью загрязнять поверхности теплообмена, расходом и др. В рассматриваемом испарители в трубное пространство целесообразно направить теплоноситель с меньшим расходом, т. е. пар. Это позволит выровнять скорости движения теплоносителей и соответствующие коэффициенты теплоотдачи, увеличивая таким образом коэффициент теплопередачи.

5)Определим количество труб в ТОА:

Зададимся скоростью движения в трубах

Суммарная площадь сечения труб тогда будет равна:

где, -плотность пара, м³/кг.

Площадь сечения одной трубы:

6)Определим количество труб (n):

Уточним скорость движения в трубах:

7)Произведем расчет коэффициента теплоотдачи для трубного пространства.

Участок I:

Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,

Nu- критерий Нуссельта:



где,- Критерий Прандтля.

Участок II:

Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

Т.к. , режим течения турбулентный

Коэффициент теплоотдачи при конденсации насыщенного пара внутри горизонтальных и вертикальных труб определяется по следующему уравнению[3]:

где, - коэффициент теплоотдачи при сплошном потоке конденсата внутри трубы, Вт/(м² •К);

- соответственно плотность пара и жидкости в состоянии насыщения, м³/кг.

Участок III:

Определим число Рейнольдса по формуле:

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,



8) Произведем расчет коэффициента теплоотдачи в межтрубном пространстве:

Участок I:

Определим число Рейнольдса по формуле:

Задаемся скоростью азота

где,[5]

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

где,

где, о-угол атаки обтекания потока (для шахматного расположения труб =0,6)

Участок II:

Определим число Рейнольдса по формуле:

Задаемся скоростью азота

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для тур-булентного режима движения найдем из уравнения:

Участок III:

Определим число Рейнольдса по формуле:

Задаемся скоростью азота

где,

Т.к. , режим течения турбулентный.

Коэффициент теплоотдачи при движении жидкости в трубах для турбулентного режима движения найдем из уравнения:

Примечание:

Задались такими значениями скорости азота, так как с ростом температуры увеличивается и скорость, соответственно падает плотность азота, которая была посчитана для каждого участка:

₁=0,9035м³/кг;₂=1,01337м³/кг;₃=1,285 м³/кг.

9) Определение коэффициента теплопередачи.

где,d_ср ,d_вн ,d_нар - средний, внутренний и наружный диаметры трубы, м;

l_ст - коэффициент теплопроводности материала трубы, Вт/(м·К);

a_1----,a_2-------коэффициенты теплоотдачи для внутренней и внешней стороны трубы, Вт/(с);

R_заг- термическое сопротивление загрязнений с обеих сторон стенки, (м²·К)/Вт;

При вычислении d_ср необходимо руководствоваться следующим правилом:

а) если a₁ ? a₂, то d_ср = d_нар;

б) если a₁ = a₂, то d_ср = 0,5(d_нар +d_вн);

в) если a₁ ? a₂, то d_ср = d_вн.

Участок I:

=

Участок II:

= Вт/м²

Участок III:

=,442

10) Определим площадь поверхности теплообмена

Уравнение теплопередачи служит для определения площади поверхности теплообмена и имеет следующий вид:

Следовательно:

где,k - коэффициент теплопередачи в теплообменном аппарате, Вт/(м²·К);

F - поверхность теплообмена, м²;

Dt_ср.лог-логарифмический напор, ^оС.

Участок I:

Участок II:

Участок III:

Определим расчетную площадь поверхности теплообмена по формуле:

?

11) Определим длину трубы каждого участка:

где, n-число труб в пучке, м;

z-число ходов.

Участок I:

Участок II:

Участок III:

Определим общую длину труб теплообменного аппарата по формуле:

?

12) Уточним температуру стенки

Температуру стенки определим графическим методом, путем приравнивания тепловых потоков.

Плотность теплового потока одинакова (q=const) следовательно :

q_hвн=

q_hнар= (

где,

Участок I:

q_hвн= 174,088 Вт/м²;

q_hнар= (Вт/м² .

? =

Участок II:

q_hвн= 279,614 Вт/м²;

q_hнар= (Вт/м² .

? =

В инженерных расчетах допускается погрешность до 5% от полученного ранее значения.

Эта погрешность вызвана неточностью расчета, так как для учета тех или иных параметров мы вводим новые коэффициенты, которые помогают более детально и точно смоделировать исследуемый объект.



Рисунок 2- Графическое решение расчета для участка I

Рисунок 3-Графическое решение расчета для участка III



Таблица 4-Результаты расчета для участка I

Таблица 5-Результаты расчета для участка II



Участок III:

q_hвн= 165,009 Вт/м²;

q_hнар= (Вт/м² .

? =

Таблица 6- Результаты расчета для участка III

2.2 Компоновочный расчет теплообменного аппарата

Компоновочный расчет выполняется после теплового конструктивного, ставит своей целью определение геометрических характеристик, полученных теплообменных поверхностей. [4]

1) Определение толщины трубной решетки:



2) Внутренний диаметр кожуха найдем по следующей формуле:

где,

где,

Решив квадратное уравнение получаем, что

Согласно ГОСТ 9617-79 принимаем ближайший из стандартного ряда, тогда получаем, что

Площадь сечения для прохода теплоносителя определим по следующей формуле:

3)Площадь живого сечения межтрубного пространства определим по формуле:



2.3 Гидродинамический расчет теплообменного аппарата

Данный расчет включает определение суммарного сопротивления движению теплоносителя в каналах теплообменного аппарата, которое состоит из сопротивления трения ( о стенки каналов и местных сопротивлений (, возникающих при изменение сечения канала и при входе и выходе теплоносителя из аппарата.

Примечание: усредним значение скорости и плотности и произведем расчет по полученным значениям.

Видим, что Re10000,тогда для определения коэффициента гидравлического сопротивления трению применим следующую формулу:

Тогда сопротивление на трение получается равным:

По расчету имеем следующие местные сопротивления потоку, движущемуся в трубном пространстве:

Местное сопротивление на входе в распределительную камеру и на выходе их нее рассчитывают по скорости теплоносителя в штуцерах.

2.4 Экономический расчет

Экономический расчет является одним из важнейших, так как именно по данному расчету предприятие принимает решение о замене действующего или внедрение нового технологического оборудования.

Если инженеры предлагают решение, которое позволит предприятию извлечь выгоду и не ухудшить технологический процесс, то оно будет непременно рассмотрено.

Произведем расчет приведенных затрат и на основании этих данных, проведя анализ, определим оптимальный вариант компоновки азотного испарителя, включенного в схему технологического цикла ВРУ «Linde».

Для расчета приведенных затрат воспользуемся зависимостью:

где, K- капитальные затраты, руб;

Э - эксплуатационные затраты, руб;

- нормативный коэффициент эффективности( = 0,4).

Капитальные затраты рассчитываются по следующему уравнению:

где - средняя стоимость килограмма труб диаметром 25х2 из стали 12Х18Н10Т, руб/кг

( = 400 руб/кг);

- металлоемкость поверхностей нагрева, кг;

- коэффициент, учитывающий прочие растраты, связанные с дополнительным оборудованием и монтажом ( =1,5);

Металлоемкость оборудования определяется по уравнению, представленному ниже:

где, - плотность стали 12Х18Н10Т, кг/м³ ( = 7910 кг/м³ ).

Эксплуатационные затраты за год рассчитываются по следующей формуле:

где, - потери мощности потока, Вт;

P - стоимость 1 кВтч, руб (P = 3,6руб);

Потери мощности потока рассчитываются по формуле:

3. Энергосбережение

Потенциал энергосбережения на металлургических предприятиях заключается в том, что в настоящее время существует значительный физический износ основного оборудования и наблюдается существенное колебание работы металлургических комбинатов, связанное с особенностью современного рынка продукции.

Для металлургических заводов вопросы энергосбережения являются одними из основных для снижения издержек производства и повышения конкурентоспособности их продукции на рынке.

Металлургическое производство имеет следующую технологическую структуру:

а) производство чугуна:

1) коксохимическое производство;

2) агломерационный цех;

3) доменный цех;

б) производство стали:

1) кислородно-конвертерный цех;

2) мартеновский цех;

3) электросталеплавильный цех;

в) производство проката:

1) обжимной цех;

2) толстолистовой стан;

3)крупносортовой стан;

4) универсальный стан;

Так же, основными подразделениями являются:

а) теплоэлектроцентраль;

б)кислородно-компрессорное производство.

Кислородное отделение является одним из самых энергоёмких производств комбината, потребляя 40% от всего объёма используемой электроэнергии. В настоящее время на предприятии имеется большое подразделение, которое занимается вопросами по снижению энергетических затрат комбината, без убыли производительности.

Основными положениями повышения энергетической эффективности можно считать:

а) Выполнение комплекса организационно-технических мероприятий, большая частота профилактических ремонтов оборудования, повышение квалификации специалистов и т.п.

Реализация этих мер, как правило, требует малое вложение денежных средств, а окупается достаточно быстро, поэтому их осуществление является главной задачей.

б) Ремонт, наладка и замена оборудования;

Осуществить работы по изоляции трубопроводов, автоматизации процессов подачи воздуха, модернизации основного энергоемкого оборудования, вывод оборудования на режим номинальной производительности и т.п.

в) модернизация системы обеспечения продуктами разделения воздуха с заменой устаревших воздухоразделительных установок на более совершенные;

г) модернизация собственных источников энергии с целью увеличения выработки электроэнергии на заводе.

Замена теплообменного аппарата, рассчитанного в работе позволит уменьшить расход пара с до , что существенно на данном узле регенерации.

4. Охрана труда

4.1 Вредные и опасные вещества в воздухоразделительных установках и способы защиты от них

Для обеспечения взрывобезопасности все усилия направляются на устранение горючих веществ. Примеси являются основной причиной взрыва.

Наиболее опасными из газообразных примесей воздуха являются: ацетилен, кислородосодержащие углеводороды, сероуглерод. Также к взрыву может привести избыточное количество масла и плохое качество монтажных работ.

Основными способами защиты воздухоразделительных установок от взрыва являются: использование для переработки воздуха с наименьшей степенью загрязнения, очистка перерабатываемого воздуха от взрывоопасных примесей, постоянный контроль за их содержанием, организация режима кипения с необходимой степенью циркуляции.

Периодичность определения концентрации вредных веществ зависит от типа установки и цикла по которому она работает.

Используется также: очистка воздуха от опасных примесей в регенераторах, обеспечение проточности конденсаторов, выпаривание жидкого кислорода в выносном конденсаторе змеевикового типа, очистка воздуха методом каталитического окисления. Эти методы также ведут к избавлению вредных примесей и предотвращению взрывов.

Защита от масла достигается установкой масло-влагоотделителей, применением турбомашин, использование в компрессорах и детандерах не смазываемых антифрикционных материалов. Существенно очищается воздух от масла и продуктов его разделения в адсорбционных блоках осушки и очистки воздуха.

4.2 Требования к помещениям по размещению оборудования

Производство продуктов разделения воздуха должно размещаться в санитарной зоне длиной не менее 50 метров. Цеха разделения воздуха должны быть удалены от других цехов, загрязняющих воздух, на такое расстояние, чтобы в поступающем на переработку воздухе примесей было меньше допустимого предела.

Определение содержания вредных примесей в воздухе производится когда расстояние до загрязняющего цеха менее 2км.

Должны быть предусмотрены противопожарные разрывы между зданиями, аппаратами и емкостями для хранения криогенных продуктов. В зависимости от типа криогенного оборудования, здания проектируют 1-2-х этажными без чердачных перекрытий и цокольных этажей. Производственные здания и помещения должны обеспечить наиболее приятную производственную обстановку и устранить пожарную опасность, имея при этом любую форму и размеры. Но, исходя из санитарно-гигиенических условий (освещение, вентиляция) наиболее целесообразными считаются здания, имеющие форму прямоугольника. Конструкция производственных зданий, их протяженность и число этажей определяется технологическим процессом, степенью его пожаробезопасности и взрывоопасности, наличием вредных выделений.

Объём производственных помещений должен быть таким, чтобы на каждого работающего приходилось не менее 15м³, а площадь помещений - не менее4,5м².Для безопасности движения рабочих и удобства транспортировки грузов в цеха необходимо предусмотреть раздельные входы (въезды) и выходы (выезды) для людей и транспорта. Двери и ворота должны открываться наружу, чтобы в случае массового движения рабочих из помещения двери не являлись препятствием для выхода. На случай пожара в производственных зданиях оборудуют дополнительные эвакуационные выходы.

Наружные стены отапливаемых производственных зданий должны иметь такую толщину, при которой исключилась бы возможность конденсации влаги на их внутренних поверхностях. Протяженность пристроенных к производственному помещению со значительными выделениями и естественным воздухообменом не должна превышать 40% от общей протяженности наружных стен донного помещения.

4.3 Анализ установки на возможность аварии, способы защиты

К обслуживанию установки допускаются лица, прошедшие производственное техническое обучение и имеющие удостоверение на право обслуживания, изучившие руководство по эксплуатации установки и порядок работы.

Слив жидкого воздуха, обогащенного кислородом, должен производиться в испаритель. Категорически запрещен слив жидкого воздуха из аппарата в помещение цеха.

Запрещается:

а) вскрывать не отогретые до плюсовых температур аппараты;

б) производить уплотнение хлопчатобумажной набивкой, пропитанной маслом;

в) хранение возле блока разделения горючих веществ: масел, бензина, жиров, ветоши, а также воспрещается курение, применение открытого огня, газовых, паяльных горелок и т. д.

Предохранительные клапаны должны быть отрегулированы на соответствующее давление и запломбированы.

Все манометры должны быть исправлены, иметь пломбу и проверяться ежегодно. Их необходимо чистить от загрязнения маслом и жирами.

Строго запрещается подтягивание фланцевых и ниппельных соединений, находящихся под давлением.

Все ремонтные работы должны проводиться только при отсутствии напряжении на установке и отключенных автоматах на щите управления. Все токоприемники обязательно должны быть заземлены в общий контур заземления.

Перед пуском установки в эксплуатацию необходимо проверить состояние защиты оборудования от накопления статического электричества.

4.4 Пожарная профилактика

Протекание технологических процессов в ВРУ не способствует возникновению пожара. Однако,при её эксплуатации могут возникать условия его вызывающие, а именно: неисправность в электропроводке, перегрузки электродвигателей, возгорание промасленной ветоши, проведение сварочных работ при ремонте и др.

Для предотвращения пожара в цеху должны находиться первичные средства пожаротушения и пожарный инвентарь, существовать сигнализация и противопожарное водоснабжение. Степень огнестойкости зданий ВРУ категории «ЙЙа».

4.5 Испытание сосудов работающих под давлением

При конструировании сосудов и аппаратов установки производится расчет на их прочность, в результате которого определяется толщины стенок соcудов, безопасные для заданного внутреннего избыточного давления. Помимо этого на многие такие сосуды распространяются «Правила устройства и безопасной эксплуатации сосудов, работающих под давлением». К сосуду прилагаются: паспорт сосуда; акт удостоверяющий, что монтаж и установка сосуда производится в соответствии с правилами и подписана руководителем предприятия владельца сосуда; схема выключения сосуда с указанием рабочих параметров арматуры и контрольно-измерительных приборов.

Сосуды работающие под внутренним избыточным давлением подвергаются техническому освидетельствованию. Техническое освидетельствование представляет собой внутренний осмотр и гидравлические испытания, которые производятся перед пуском в работу и периодически при эксплуатации. Гидравлическое испытание вновь устанавливаемых сосудов при техническом освидетельствовании разрешается не производить, если с момента проведения такого испытания на заводе-изготовителе прошло не более 12 месяцев. При эксплуатации, зарегистрированные сосуды подвергаются внутреннему осмотру не реже одного раза в 2 года, гидравлическим испытаниям один раз в 8 месяцев.

5. Безопасность жизнедеятельности

5.1 Анализ источников опасности и вредностей

5.1.1 Анализ условий труда в кислородном цехе

Блок разделения воздуха находится в здание кислородного цеха. Здание кислородного цеха трехэтажное, каркасное с несущими железобетонными колонами и ограждающими конструкциями стен из железобетонных плит. Междуэтажные перекрытияметаллические. Имеется 3 выхода на улицу с дверными проёмами 2,61,8м.

Естественное освещение обеспечивается окнами 2400 x 1200 мм. (машинный зал) и окнами 1780 x 1500 мм. (помещение аппаратчиков воздухоразделения). Искусственное освещение общее со 120 лампами накаливания типа Г220300.[8]

В здании блока разделения предусмотрены следующие здания:

· машинный зал;

· помещение аппаратчиков;

· электрощит;

· сан. узел.

В помещении обеспечиваются следующие параметры микроклимата:

· теплый период: температура +18?С; относительная влажность 24%; подвижность воздуха 0,8 м/с;

· холодный период: температура 23?С; относительная влажность 41%; подвижность воздуха 0,2 м/с.

Эти параметры микроклимата отдельно и в комплексе влияют на работников цеха и определяют их самочувствие. [9]

5.1.2 Технологическое оборудование, его характеристики

Для оценки опасности технологического процесса эксплуатации в кислородном цехе в таблице 7 приведены технические характеристики рабочих агрегатов.

Анализ условий труда в блоке разделения позволил определить опасные и вредные негативные факторы, перечень и параметры которых приведены в таблице 8.[13]

Таблица 7 - Основное оборудование, являющееся источником шума.

Наименование, размерность	Величина
1. Поршневой насос типа KPL-22/80V-LDD:
производительность, л/мин	0,98
давление всасывания, МПа	0,15
давление нагнетания, МПа	5,5
мощность на валу, кВт	0,8
номинальная мощность, кВт	2,2
число оборотовоб/мин	1550
напряжение, В	380/220
2. Адсорбер:
расход воздуха, Нм3/ч	174000
рабочее давление, МПа	0,5
содержание СО2 на входе технологического воздуха, ppm	400
температура регенерирующего газа, °С	165

5.2 Оценка опасных и вредных производственных факторов

Таблица 8 Оценка опасных и вредных производственных факторов и средства защиты от них.

Опасные и вредные факторы	Численные значения параметров опасных и вредных производственных факторов	Обоснование норм	Мероприятия и средства защиты
	Факт.	нормативные
Параметры микроклимата (кат. раб. IIб):				Нормализация параметров микроклимата обеспечивается требуемой толщиной наружных стен по теплотехническому расчету и работой систем вентиляции и кондиционирования воздуха.
-температура воздуха, єС	19..24	19…24	СанПиН-
относительная влажность воздуха, %	15…75	15…75	2. 2. 4. 548-96
-скорость движения воздуха, м/с	0,1…0,2	0,1…0,2
Освещённость рабочих мест при искусственном освещении, лк:	546	300	СНиП-230595*	Нормализация искусственного освещения путём установления дополнительных накаливания; регулярная очистка ламп от загрязнений; своевременная замена отработавших свой срок службы ламп; контроль напряжения питания осветительной сети;
Концентрация пыли (пыль не содержащая Si O2 и примесей токсичных веществ), мг/м3	1	1	ГОСТ-12.1.005-88	Систематический контроль за состоянием запыленности. Т.к. фактическое значение концентрации пыли не превышает нормативное, средств защиты не требуется.
Освещенность рабочих мест при естественном освещении: -коэфф. естественного освещения (КЕО).	0,9	0,5	СНиП-230595*	Регулярная очистка окон от загрязнений; рациональная окраска стен, потолка, оборудования.

5.3 Расчет и оценка сопротивления защитного заземления электрооборудования

5.3.1 Введение и исходные данные

Защитное заземление - преднамеренное электрическое соединение с землей или ее эквивалентом металлических нетоковедущих частей электро-установок, которые могут оказаться под напряжением.

Заземление предназначено для защиты от поражения электрическим то-ком за счет создания такого соединения металлических нетоковедущих частей электроустановок с землей, которое обладало бы достаточно малым сопротивлением с тем, чтобы ток, прошедший через человека, не достигал опасного значения.

Произвести расчет сопротивления защитного заземляющего устройства для электрооборудования с напряжением 380/220В, при условии, что стержневые заземлители выполнены из стальных труб длиной 2 м и диаметров 4 см с глубиной погружения его верхних концов на 0,7 м ниже уровня поверхности земли. Грунт - глина полутвердая. Коэффициент эффективности заземляющего устройства - 0,75.

5.3.2 Расчет сопротивления защитного заземления электрооборудования

Первой этап определение сопротивления одинарного стержневого заземлителя по формуле:

(6.1)

Где сопротивление одинарного стержневого заземлителя, Ом;

удельное электрическое сопротивление грунта, Ом·м(см. табл.24 [12]);

соответственно длина и диаметр стержневого заземлителя, м;

расстояние от поверхности земли до середины стержневого заземлителя, м;

Затем производим расчет требуемого числа стержневых заземлителей по формуле:

(6.2)

где,- нормативное сопротивление защитного заземления, принимаемое по табл.26 [10]. Для нашего случая

шт.

Зная число стержневых заземлителей, определяем длину L полосового горизонтального заземлителя, считая, что расстояние между стержневыми за-землителя равно длине заземлителя.

(6.3)

Производим расчет сопротивления полосового заземлителя из условия, что ширина волосы b=5см. по формуле:

(6.4)



По формуле параллельных проводников определяем суммарное сопротивление защитного заземляющего устройства:

(6.5)

5.3.3 Оценка эффективности защиты заземляющего устройства

Проводим оценку эффективности защиты заземляющего устройства электрооборудования.

Так как расчетное сопротивление защитного заземляющего устройства меньше нормативного сопротивления , то эффективность защиты заземления обеспечена. [12]

5.4 Оценка устойчивости здания кислородного цеха при взрыве газовоздушной смеси

5.4.1 Введение и исходные данные

Для оценки последствий взрыва в производственной сфере в расчетных методиках используются следующие показатели: вид и количество взрывоопасного вещества, условия взрыва, расстояние от места взрыва до места оценки его последствий, параметры ударной взрывной волны, степень повреждения зданий, сооружений, техники и технологического оборудования.

Степень разрушения того или иного здания (сооружения), технологического оборудования и инженерных систем оценивается по величине избыточного давления во фронте ударной волны (). Все они в зависимости от нагрузок, создаваемых ударной волной, могут получать полные, сильные, средние или слабые разрушения.

Определить избыточное давление во фронте ударной волны на расстоянии 100 м от емкости, в которой находится 12 т пропана, хранящегося в жидком виде под давлением при полной разгерметизации емкости и взрыве образовавшейся газовоздушнойвзрывчатой смеси (ГВС). По справочным данным численное значение теплоты, выделяющейся в процессе сгорания пропана в области взрыва, тротила. Произвести оценку степени разрушения трехэтажного здания из железобетонных конструкций, расположенного на расстоянии 100 м от взрыва.

5.4.2 Определение избыточного давление во фронте ударной волны

Определим численное значение массы пропана в составе ГВС по формуле:

(6.6)

Производим расчет массы тротилового эквивалента взрывчатой ГВС по формуле:

(6.7)

Вычисляем значение приведенного радиуса по формуле:

(6.8)



Определяем избыточное давление во фронте ударной волны. Для этого вначале произведем расчет величиныпо формуле:

(6.9)

Затем определим значения и:

(6.10)

(6.11)

5.4.3 Оценка устойчивости здания

С учетом полученных данных и степени разрушения зданий и оборудования ударной взрывной волны производим оценку степени разрушения четырехэтажного здания из железобетонных конструкций.

Таблица 9 -Степени разрушения зданий и оборудования ударной взрывной волной

Здания, оборудования, инженерные системы	Степень разрушений при , кПа
	слабые	средние	сильные
Многоэтажные здания из железобетонных конструкций	8-20	20-40	40-90

При воздействии на здание избыточного давления во фронте ударной волны оно получит сильные разрушения части стен и перекрытий нижних этажей и подвалов. Сильное разрушение оборудования и инженерных систем характеризуется разрушением навесного оборудования, оснастки и контрольно-измерительных приборов.

Заключение

На первом этапе выпускной квалификационной работы была проанализирована работа воздухоразделительная установка фирмы «Linde»,выявлен узел для проработки, произведены тепловые балансы основного теплообменного оборудования блока комплексной очистки. Вторым этапом выпускной квалификационной работы явился расчет испарителя отбросного азота Е2617. Задачей было составления модели конструктивного расчета, с целью составления оптимальной режимной карты работы аппарата. На основании всех расчетов был произведен выбор конкретного вида оборудования (теплообменник и насос), установка которого наиболее целесообразна. На третьем этапе выпускной квалификационной работы был рассмотрен вопрос энергосбережения, в котором были описаны способы модернизации производства с целью экономии ресурсов.