Математическая модель сварного пластинчатого теплообменного аппарата для колонны синтеза аммиака

Abstract

Пластинчасті теплообмінні апарати (ПТА) широко застосовуються в промисловості, і мають компактну конструкцію. Однак використання стандартних ПТА розбірної конструкції обмежується діапазоном їх застосування по тиску і температурі. Конструкція зварних ПТА (ЗПТА) дозволяє істотно розширювати діапазон їх застосування. В даній роботі розглядається ЗПТА унікальної конструкції, розробленої для використання при високому тиску (до 32 МПа) і температурі (до 520 °С) в колонці синтезу аміаку. Дослідний ЗПТА складається з пакету круглих гофрованих пластин діаметром 6,26 м, зварених разом для формування каналів для руху холодного та гарячого теплоносія. Багато ходовість обох потоків з організацією проти-руху теплоносіїв забезпечується особливою конструкцією колекторів ЗПТА. В статті представлена математична модель ЗПТА, яка дозволяє виконувати теплове та гідравлічне розрахунки для певних технологічних умов, а також здійснювати розрахунки ЗПТА з певними параметрами його конструкції. Застосовність запропонованих даних та розробленої математичної моделі підтверджується порівнянням з експериментальними даними. Обговорюється можливість використання ЗПТА замість кожухотрубчастого апарату дозволяє скоротити об'єм, зайнятий теплообмінником у колоні синтезу аміаку, і дозволяє збільшити кількість каталізатора. Це призводить до збільшення виробництва аміаку на 15 %.

Plate heat exchangers (PHEs) are widely used in industry, and can be regarded to the compact heat exchange equipment. But the application of PHEs of standard plate-and-frame type is limited by temperature and pressure operating conditions. The design of welded PHEs allows widening the application range. In the present work the specially designed welded PHE is presented, which can be used for high pressures (up to 32 MPa) and temperatures (520 °С) in the ammonia synthesis column. It consists of the stack of round corrugated plates with diameter 626 mm, which are welded together to form a number of channels for cold and hot streams exchanging heat. The mathematical model of considered welded PHE is developed, which enables to perform the thermal and hydraulic design for specified process conditions and also rating calculations of the unit with determined parameters of its construction. The validity of the proposed relations and developed mathematical model is confirmed by comparison with the data of tests on welded PHE installed in ammonia synthesis column at industrial enterprise of ammonia production instead shell-and-tube heat exchanger. The use of welded PHE instead shell-and-tube unit enable to cut down the volume occupied by heat exchanger in high pressure shell of ammonia synthesis column and allows increase of the volume of catalyst. It leads to 15 % rise of ammonia output.