Проектирование производства по получению карбинола (метанола)

1394,1 +695,2+5,24 + (4,3 +4,8) =2103,64 м3/т

Из уравнения (3.19) g=27,72 -с подставим это значение g в уравнения (3.20), (3.21), (3.22)

(3.23} преобразуя их, получим следующие уравнения:

0,0169•х+с-0,01•i•у =9,1 (3.24)

0,295•х -0,11•у -2•c =667,48 (3.25)

0,6781•х-0,01•b•у-2с= 1421,82 (3.26)

0,01•х -0,009•у - с = 32,96 (3.27)

х-у-2•с=2131,36 (3.28)

Преобразуя уравнения (3.27) и (3.28)

2• (0,01•х-0,009•у с) = 2• 32,96

+

х-у-2•с = 2131,36_______

1,02•х-1,018•у=2197,28 (3.29)

Преобразуя уравнения (3.28) и (3.25)

х-у-2•с = 2131,36

-

0,295•х-0,11•у-2•с=667,48

0,705•х-0,89•у = 1463,88 (3.30)

Решим систему уравнений:

у =288,2 м3/т

Решая соответствующие уравнения, находим (об. доли):

х =2441,6 м3/т; g =16,71 м3/т; с =11,01 м3/т; I =15,0%; b =73,1% . Содержание азота в циркуляционном газе по уравнению, равно:

тогда m =i-n =15- 8,1=6,9%

m=6,9% содержание метана

Учитывая потери исходного газа (3-5%), расход его в колонне синтеза составит:

2441,6• (1,03?1,05) =2550 м3/т

Расход и состав газовой смеси в разных точках синтеза следующий:

-исходный газ 2550 м3/т;

-газ на входе в колонну (смесь исходного и циркуляционного) 24000 м3/т;

- газ перед сепаратором (до смешения исходного с циркуляционным) 24000-2550=2450 м3/т;

- продувочный газ (до отдувки паров карбинола) 288,2+9,52=297,72 м3/т;

- газ после холодильника-конденсатора 21450+297,72=21747,72 м3/т;

- жидкий карбинол 712,92-9,52=703,4 м3/т;

- танковые газы 43,04 м3/т;

- газ после колонны синтеза 21747,72+703,4+43,04=22494,16 м3/т.

Все полученные результаты сведем в таблицу 3.4.

Таблица 3.4

Приход состоит из суммирования статей “исходный газ”, “газ перед сепаратором”.

Расход состоит из суммирования статей "танковые газы", "продувочные газы", "газ перед сепаратором", "карбинол-сырец".

Определим эффективный фонд рабочего времени

Z=(365-II-B-P)•24,ч (3.31)

Z=365•24-160=8600 ч

Часовая производительность цеха:

Находим массовые и мольные расходы всех компонентов реакционной массы по всем статьям:

(3.32)

(3.33)

Пример расчета статьи "карбинол-сырец":

;

(3.34)

Весь остальной расчет выполняется аналогично.

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

Материальный баланс синтеза карбинола-сырца

Расхождение составляет 0,06%, что допустимо.

Найдем степени конверсии исходных веществ:

(3,35)

Находим селективности реакций по целевому и побочному продукту:

(3.36)

4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1. Тепловой расчет

Рис. 4.1 Схема тепловых потоков

Q1-теплота, поступающая с исходной реакционной смесью;

Q2- теплота, поступающая с электрообогревом,

Q2-теплота, уносимая с продуктами реакций;

Q4- потери тепла в окружающую среду;

Q5-теплота химического превращения.

Q5+ Q2+ Q5= Q3-Q4 (4.1)

4.1.1. Теплота, поступающая с исходной реакционной смесью и теплота, уносимая продуктами реакций

Тепловые потоки поступающего сырья и продуктов реакций определяют по формулам:
Qi=Gi•Ci•T (4.2)

Qi=Fj•C° p,i•T (4.3)

где, Q-тепловой поток, Вт

G-массовый расход, кг/с

Cj-удельная теплоемкость, Дж/кг-К

С°р,i-молярная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/моль-К Т-температура, К

Примем температуру парогазовой смеси на входе в реактор180 °С (453 К), температура на выходе 300 °С (573 К). Найдем теплоемкости веществ, входящих и выходящих из реактора при указанных температурах по справочнику [7, с. 73-75]. Полученные данные сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Теплоемкость компонентов реакционной смеси

По формуле (4.3) найдем теплоту, поступающую с исходной реакционной cмесью:

Qi=453 * (170,02•103 •44,074 + 2099,35•103•30,043 + 11752,82•103•29,00 + +530,52•103•44,564 +1927,88•103•29,814) /3600=61974,92•103 кВт

По формуле (4.3) найдем теплоту, уносимую с продуктами реакций:

Q3=573• (133,2•103•46,719 + 1583,06•103•30,619 + 10493,61•103•29,30 + 519,37•103•51,377 + 1638,78•103•30,327 + 13,32•103•102,28 + 498,11•103•75,231 + +266,03•103•190,64+42,61•103•36,237) /3600 =84305,89•103 кВт

4.1.2. Теплота химического превращения

Теплота химического превращения состоит из теплоты основных и побочных химических реакций. Теплота химической реакции рассчитывается по закону Гесса:

(4.4)

CO + 2H2 > CH3OH + 90,73 кДж/моль

2СО + 4H2 > (CH3)2O +H2O - 322,0 кДж/моль

CO + 3H2 > CH4 + H2O + 257,0 кДж/моль

4СО + 8H2 > C4H9OH + 3H2O + 568,60 кДж/моль

CO2 + H2 > CO + H2O + 41,2 кДж/моль

Q5=(-12553,76+1191,4 - 795,99 - 42017,96 - 487,64)•103=-54663,95•103 кВт

4.1.3. Потери тепла в окружающую среду

По таблице 2.4. [8, с.28] выбираем в качестве теплоизоляции маты минераловатные марки 75. Коэффициент теплопередачи для этой изоляции:

?из=0,043+0,00022·tср, Вт/м•град (4.5)

?из=12,6 Вт/м2•град [8, c.54]

Температура изолируемой стенки 200 °С.

?из=0,045+0,0002·130=0,071 Вт/м·град

Толщину изоляции определяем по следующей формуле:

(4.6)

где tст- температура стенки, °С;

tn = 40-45 °С - температура на поверхности изоляции;

t0= (-10,8 + 16,6)/2 =13,7 °С- среднегодовая температура окружающего воздуха для г.Щекино Тульской области.

Теплопотери через изоляцию составят:

(4.7)

где dиз - диаметр (наружный) с изоляцией для реактора без рубашки, м;

dн - наружный диаметр без изоляции, м.

Q4=qиз•F, (4.8)

где F=0,9 •? •D •Н=0,9 •3,14 •3,8 •16,345 =175,6 м2. Q4 =13991,72 •175,6 =2,46•103 кВт

4.1.4. Тепло, поступающее в реактор с электрообогревом

Q2=Q3+Q4-Q1-Q5 (4.9)

Q2= (84305,89 +2,46 - 61974,92 +54663,95) •103 =76997,34•103 кВт

Таблица 4.2

Тепловой баланс

4.2. Механический расчет реактора

Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с эллиптическими днищами.

4.2.1. Расчет обечайки

Определим толщину стенки сварной цилиндрической обечайки. Материал обечайки сталь 12 НХ.

?В= 450•106Н/м2, ?Т = 240•10бH/м2 [9, табл. 2.5]

Проницаемость материала обечайки в среде меньше 0,1мм/год (с1=1•10 -3 м,с2=0). Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определим по формуле:

(4.10)

nВ= 2,6 [9, табл. 14.4]

? = 1,0 [9, табл. 14.2]

(4.11)

nТ= 1,5 [9, табл. 14.4]

Расчётная величина цилиндрической стенки:

(4.12)

так как то величиной p в знаменателе формулы (4.12) пренебрегаем, тогда

(4.13)

с=с1+с2+с3 (4.14)

где с3=0,8 [9, табл. 2.15]

с=(1 +0 + 0,8) ·10-3=1,8·10-3м

примем S=100мм

Проверим напряжение в стенке обечайки.

Должно выполняться условие [10, с. 393]:

Условие выполнено.

4.2.2. Расчет днища реактора

Одной из рациональных форм крышки для цилиндрических аппаратов является (с точки зрения восприятия давления) эллиптическая форма.

Расчетная толщина днища S, подверженного внутреннему давлению р, определяется по формуле [6, с. 211]:

(4.15)

где hB - высота выпуклой части днища; hB=0,25•3,6=0,9м

К - безразмерный коэффициент, для днищ без отверстий или при полностью укрепленных отверстиях; К =1,0;

µм - коэффициент прочности радиального сварного шва [9, табл. 15.3]

µм=0,95;

с - прибавка на коррозию, эрозию, минусовый допуск по толщине листа, м (прибавка увеличивается на 1мм при 20mm>S и с>10мм).

Сталь эллиптического днища для обечайки выбираем 12 НХ ГОСТ 5759-57 [9, табл. 2.1]. Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определяем по формуле (4.10).

?в=450•106 н/м2 , ?т=240•106 н/м2 [9, табл.2.5]

?=1,0 [9, табл.14.2]

nв=2,6 [9, табл.14.4]

Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определяем по формуле (4.11).

nт=1,5 [9, табл.14.4]

Допускаемое напряжение по пределу текучести ?д = 160 * 106 Па является расчетным, как наименьшее:

с =(1,8 + 1)·10-3 =2,8)·10-3 м

S=0,069 м

принимаем ближайший размер S=100mm [9, табл. 16.2].

Проверим напряжение в стенке днища. Должно выполняться условие [10, с 393]:

Условие выполнено.

4.2.3. Расчет опорной конструкции

Для аппарата установленного вне помещения на фундаменте выбираем юбочную цилиндрическую опору.

Принимаем толщину стенки опоры S=16mm. Ветровой опрокидывающий момент для аппаратов высотой Н ? 20м определится по формуле [9, с. 330]:

MB=0,5•K1•K2•qв•H2•Дн (4.16)

где K1- аэродинамический коэффициент обтекания для цилиндрических аппаратов K1=0,7;

К2 - динамический коэффициент К2=1;

qв - удельная ветровая нагрузка qв= 103Па;

Дн - наружный диаметр Дн=3,8м;

Н - высота аппарата Н=10,6м.

Мв=0,5•0,7•1•103•10,62•3,8=0,145•105Н•м

Изгибающее напряжение в стенке опоры определим по формуле [9, с. 330]:

(4.17)

G - максимальная возможная нагрузка на опору от силы тяжести в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний, Н;

Д - внутренний диаметр аппарата Д=3,6м;

Мв - ветровой опрокидывающий момент.

G = m•q (4.18)

man= mо6+ mkp+ mдн=71100 + 13000 + 12800 =96900 кг

mсat= 104000кг

m = 96900 + 104000 = 200900 кг

G = 9,8•1200900 =1970829 Н

что меньше

?и = 450 * 106 Па - для стали 12 НХ табл. 2.5 [9, с. 25]

Формула [9, с. 333], для проверки толщины стенки на устойчивость:

(4.19)

при

по графику [9, с. 185] К1=1,8; К2=6,7

(4.20)

Расчет фундаментных болтов опоры следует производить для пустого аппарата, т.е. наиболее не благоприятный случай для опрокидывания аппарата. Минимальное напряжение смятия фундамента под опорной поверхностью ?min определяется по

формуле [9, с. 332]:

(4.21)

G - сила тяжести пустого аппарата, Н;

Д1 - наружный диаметр аппарата, м;

Д2 - внутренний диаметр аппарата, м;

МВ - ветровой опрокидывающий момент, Н·м.

0,71•105 Па < 0

Аппарат неустойчив требуется установка фундаментальных болтов.

Общая условная формула расчёта нагрузки на болты Р? [9, c.332]:

(4.22)

Болты изготавливаются из стали Ст.3 диаметром М48.

Для болтов М48 F? = 1355 •10-6 м3 табл. 20.7. [9, с.262]

Число болтов z, рассчитываем по формуле [9, с. 332]:

(4.23)

?=1, K=1 табл.20.8 [9, c. 264]

принимаем z= 8 шт.

4.2.4. Расчет штуцеров реактора и подбор фланцев к ним

Необходимо рассчитать штуцера и подобрать фланцы к ним для исходной смеси, для продуктов реакции, для холодного байпаса, для выгрузки катализатора.

Приведем пример расчета штуцера для подачи исходной смеси. Диаметр штуцера находим из уравнения расхода по формуле [11, с. 16]:

(4.24)

где V - объемный расход, м3/с;

w - скорость давления среды, м/с.

Принимаем скорость движения парогазовой смеси w=5m/c. Массовые расходы переведем в объемные по формуле:

(4.25)

G - массовый расход;

р - плотность смеси (находим по уравнению Менделеева - Клайперона) [11, с. 13]:

(4.26)

где М - мольная доля газа, кг/моль;

Т -температура газовой среды (2500C);

р - давление в аппарате 5,3 МПа.

(4.27)

где М; - мольная доля i-ro компонента.

Таблица 4 .3

Мольные доли веществ

М=43,99·0,0449+28,0·0,4073+2,02·0,1645+16,05·0,059+28,02·0,3243=25,598 кг/кмоль

примем d=700 мм

Остальные штуцера рассчитываются аналогично. Результат расчета сведем в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

Таблица штуцеров

4.3. Технологические и конструктивно - механические расчёты вспомогательного оборудования

4.3.1. Расчёт теплообменника

В качестве вспомогательного оборудования выбираем кожухотрубный теплообменник, предназначенный для подогрева исходной смеси с 180°С до 250°С. В качестве теплоносителя используются продукты реакции выходящие из реактора с температурой 300°С.

Найдем тепло необходимое для подогрева исходной смеси с 180°С до 250°С. Разность температур:

(4.28)

где F - мольный поток вещества, берем из материального баланса;

с - теплоемкость веществ при средней температуре смеси

соксида углерода = 30,22 Дж/моль•К [7, с. 75]

сметан - 46,60 Дж/моль•К [7, с. 83] сазот=29,96 Дж/моль•К [7, с. 72]

соксида углерода (IV)= 44,97Дж/моль•К [7, с. 75]

сводорода=29,08 Дж/моль•К [7, с. 72]

скарбинола=74,01 Дж/моль•К [7, с. 85]

своды=35,37 Дж/моль•К [1, с. 78]

Q= ( 2,198•30,22 + 3,008•46,80 + 1,389•29,96 + 1,078•0,935 + 1,307•44,97 + 11,632•

*29,08 + 0,124 •74,01 + 0,08•35,37) •70•103/3600

Q= 12,81-103Вт

[II, с. 149] (4.29)

К - коэффициент теплоотдачи

(4.30) ?1 - коэффициент теплоотдачи нагреваемой смеси ?1=500Вт/м2•К;

?2 - коэффициент теплоотдачи охлаждаемой смеси ?2=600Вт/м2•К.

Сумма технических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнения органических паров:

(4.31)

= 17,5 [10, с. 505] - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали

= =11600 [11, с. 531]

Рис. 4.4. Схема тепловых потоков в теплообменнике

В соответствии с таблицей 2.3. [10, с. 51] поверхность, близкую к необходимой, может иметь теплообменник dтруб 25X2 с длиной труб 1,5м;

Dкожуха-159мм, поверхность теплообмена F=1,5m2. Запас поверхности теплообмена для выбранного теплообменника:

4.3.2. Аппарат воздушного охлаждения

Циркуляционный газ в аппаратах воздушного охлаждения охлаждается с

температуры 1200С до 400С, воздух нагревается с 150С до 700С.

1200С 40 0С

700С 150С

Следовательно

Ориентировочно значение коэффициента теплопередачи К от газа к жидкости при

вынужденном движении принимаем 50 Вт / (м2·К)

Определяем ориентировочное значение площади поверхности теплообмена

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5