Проектирование производства по получению карбинола (метанола)

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

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11