Метод виробництва формаліну

Размещено на http://allbest.ru

Зміст

Вступ

1. Обґрунтування методу виробництва формаліну

2. Характеристика сировини та підбір обладнання

2.1. Характеристика вихідної сировини, матеріалів і напівпродуктів

2.2. Підбір основного та допоміжного обладнання

2.3. Фізико-хімічні основи технологічного процесу

3. Опис технологічного процесу

3.1. Опис обраної технологічної схеми процесу

4. Розрахунок насадкового скрубера

4.1. Технологічний розрахунок

4.2. Гідравлічний розрахунок

4.3. Конструктивний розрахунок

5. Розрахунок підконтактного холодильника

5.1. Технологічний розрахунок

5.2. Гідравлічний розрахунок

5.3. Конструктивний розрахунок

6. Охорона праці

7. Економічна частина

Список використаної літератури

Вступ

Серед багатьох сотень тисяч органічних сполук, відомих у цей час, формальдегіду, належить особлива роль.

Формальдегід - досить активна хімічна сполука, що легко вступає в реакцію з іншими речовинами з утворенням великого класу нових з'єднань, багато хто з яких мають важливі властивості. Завдяки реакційній здатності формальдегід за порівняно короткий проміжок часу перетворився в один з незамінних напівпродуктів багатотоннажного органічного синтезу.

Формальдегід використовується в промисловості як сировина для виробництва синтетичних смол, пластичних мас, нових органічних барвників, поверхнево-активних речовин, лаків, лікарських препаратів і вибухових речовин. У сільському господарстві для протравлення насінь, у шкіряній промисловості для дублення шкіри, у текстильній - для підвищення опорності виробів до зминання та усадки, у паперовій промисловості для покращання міцності та якості паперу, у медицині як антисептичний засіб і у тваринництві. Застосування формальдегіду зростає рік у рік. У зв'язку із цим зростає і його виробництво.

У даний час основним споживачем формальдегіду є виробництвво синтетичних смол: виробництво фенолформальдегідних, сечовино-формальдегідних смол; смол, модифікованих шляхом обробки формальдегідом; малорозчинних лаків, покриттів, клеїв, шаруватих пластиків.

Найбільше поширення одержав продукт, що містить 35 - 37 % формальдегіду й 6 - 11 % метанолу, називаний формаліном. Рецептура формаліну сформувалася історично, під впливом наступних факторів. По-перше, метанол і вода супроводжують формальдегіду на стадії його одержання найбільш уживаним методом (метанол - сировина, вода - побічний продукт і абсорбент). По-друге, розчин зазначеного складу при додатніх температурах цілком стабільний до випадання полімеру й може зберігатися або транспортуватися протягом довгого часу. У - третіх, у вигляді водно-метанольного розчину формальдегід може застосовуватися в більшості виробничих синтезів, а також при безпосереднім використанні. І, нарешті, по-четверте, саме формалін виходить при окисній конверсії метанолу в присутності металевих каталізаторів на стадії абсорбції контактного газу; ніяких додаткових операцій по доданню продукту товарних властивостей (концентрування, очищення й т.д.), як правило, не потрібно.

технологічний хімічний формалін скрубер

1. Обґрунтування методу виробництва формаліну

Формальдегід одержують із метанолу, диметилового ефіру, природного й попутного газів (газу коксохімічного виробництва й нафтопереробки). Промислово освоєні способи одержання формальдегіду:

1) Каталітичне окислювання метанолу на металевих каталізаторах.

2) Каталітичне окислювання метанолу на оксидних каталізаторах.

3) Окислювання природного газу й нижчих парафінів.

У першому випадку каталізатором найчастіше є срібло (можна використовувати золото або платину), з метою економії метанолу срібло рівномірно наносять на інертний носій, наприклад на пемзу. Сутність методу складається в парофазному окислюванні гідруванні метанолу киснем повітря в адіабатичному реакторі з наступним поглинанням продуктів реакції водою. У процесі подається метаноло-повітряна суміш складу вище верхньої межі вибухонебезпечності (36,4% - об'ємні частки) і з недоліками кисню по хімічному рівнянню окислювання метанолу у формальдегід, тому що каталізатор - окисно-дегідратуючий:

СН3ОН + ЅО2 > СН2О + Н2О + Q (147,4кДж/моль);

СН3ОН > СН2О + Н2 - Q (93,4 кДж/моль);

Н2 + ЅО2 > Н2О + Q (241,8 кДж/моль)

Разом з тим протікають побічні реакції, що знижує вихід формальдегіду й підвищує витрату метанолу. Вихід формальдегіду досягає 80 - 85%, при ступені конверсії метанолу 85 - 90%. Тому що окисне дегідратування проводять при недоліку кисню, процес глибокого окислювання, не одержує значного розвитку. У той же час саме дегідратація, що ініціює кисень, протікає швидше, тому відсоток побічних реакцій не великий. Цим способом можна одержати формалін двох марок: ФМ - 37% з вмістом метанолу до 10% і ФБМ - 50% з вмістом метанолу менш 1%. Транспортуванню й зберіганню підлягає формалін марки ФМ, тому що метанол стабілізує його.

У другому способі каталізатором є суміш оксидів заліза й молібдену. Окислювання метанолу на оксидних каталізаторах протікає за окисно-відновлювальним механізмом:

СН3ОН + 2МоО3 > СН2О + Н2О + Мо2О5

Мо2О5 + ЅО2 > 2МоО3

Процес здійснюється в надлишку повітря при (350 - 430)ос і нормальному тиску, інакше під дією метанолу й формальдегіду каталізатор швидко відновлюється. Реакція протікає при співвідношенні метанолу й повітря нижче межі вибухонебезпечності (7 - 8% - об'ємні частки).

Процес відрізняється високим ступенем конверсії метанолу - 99%, а так само сильною екзотермічністю, що змушує використовувати трубчасті реактори з охолодженням. Цей спосіб дозволяє одержувати формалін - 37% з вмістом метанолу не вище 0,5%. Застосування технологій з оксидним каталізатором заслуговує деякої переваги, коли необхідна продуктивність не вище 8 - 10 тис. т/рік.

Третій спосіб. З погляду доступності й дешевини сировини, а також простоти технології (одержання формальдегіду прямим окислюванням природного газу, що складає в основному з метанолу, киснем повітря) заслуговує переваги перед порівняно складними й багато східчастими синтезом через метанол (за схемою):

природний газ > синтез газ > метанол > формалін

Однак на практиці виникає ряд труднощів, які пов'язані з недостатньою стійкістю формальдегіду в умовах реакції. Окислювання метанолу відбувається при 600о, у той же час термічне розкладання формальдегіду спостерігається вже при 400о. Вихід формальдегіду не перевищує 3% при селективності 10 - 25%. Тому розглянутий метод займає досить скромне місце в балансі виробництва формаліну й тільки в перспективі використовуються нові технологічні прийоми окислювання (з урахуванням зростання дефіцитності метанолу й порівняльної доступності природного газу).

Тому у виборі методу виробництва формаліну заслуговують на увагу перші два способи. Розглянемо їх у порівнянні й виберемо для себе потрібний.

Порівняльна характеристика методів виробництва формаліну в таблиці.

Таблиця 1. Порівняльна характеристика методів виробництва формаліну

Метод	Переваги	Недоліки
1. Окислювання на срібному каталізаторі	а) практично немає обмежень по одиничній потужності установки б) простота конструкції реактора в) низька метало - і енергоємність г) висока продуктивність	а) високий видатковий коефіцієнт по сировині б) дорогий каталізатор в) наявність у формаліні метанолу до 5 - 10%
2. Окислювання на оксидному каталізаторі	а) низький видатковий коефіцієнт по сировині б) наявність метанолу в формаліні не більше 0,6 - 1,0% і наявність НСООН не вище 0,02%	а) підвищена витрата енергії й повітря б) обмеження одиничної потужності установки в) складність в експлуатації й ремонті г) підвищена металоємність

Порівнюючи економічні й виробничі витрати, а також обсяг продукції (нам необхідно не менш 300 - 380 тис.т/рік) для потреб формалинопотребуючого виробництва - концертних смол (обсяг - 200 тис.т/рік) вибираємо метод виробництва по окисному дегідруванні метанолу на срібному каталізаторі.



2. Характеристика сировини та підбір обладнання

2.1 Характеристика вихідної сировини, матеріалів і напівпродуктів

Характеристика вихідної сировини, матеріалів і напівпродуктів у таблиці

Таблиця 2. Характеристика вихідної сировини, матеріалів і напівпродуктів

Найменування сировини, матеріалів і напівпродуктів	Державний або галузевий стандарт, СТП, ТУ, регламент	Показники по стандарті, обов'язкові для перевірки	Регламентовані показники із припустимими відхиленнями
1.Метанол - отрута синтетична	ДЕРЖСТАНДАРТ 2222-95	Густина	0,791-0,792
2.Вода димінералізована	Технологічний регламент №4 виробництва тепла, пара й води.	2.1. Твердість, ммоль/ дм3 2.2. Зміст заліза, мг/дм3 2.3. рн	не більше 0,005 не більше 0,05 6,5 - 7,5
3.Кислота азотна концентрована	ДЕРЖСТАНДАРТ 701-89	3.1.Масова частка азотної кислоти, %	98,2
4.Їдкий натр	ДЕРЖСТАНДАРТ 2263-79	4.1.Масова частка їдкого натру (марка «РР»), %	не менш 42
5.Оборотна вода.	Технологічний регламент установки оборотного водопостачання.	5.1. Зміст зважених часток, мг/дм3 5.2. Загальна твердість, ммоль/дм3	не більше 20 не більше 5
6.Пара	Технологічний регламент виробництва тепла, пара й води.	6.1. Тиск, кгс/см2 6.2. Температура, ос	18 - 25 + 350
5.Природний газ.		5.1.Состав, об'ємна частка, %: - метан - етан - пропан - бутан - азот - двоокис вуглецю 5.2. Густина кг/м3	86 - 97 1,5 - 4 1 - 6 0 - 4 1 - 2 0 - 1 0,741



2.2 Підбір основного та допоміжного обладнання

Обґрунтування конструкції основного апарата

Реактор (контактний апарат) призначений для окисного дегідрування метанолу у формальдегід у газовій фазі на пемзосрібному каталізаторі. Реактор являє собою сталевий вертикальний циліндричний апарат, розділений на дві секції: верхню (секція контактування) і нижню (підконтактний холодильник). У нижній частині секції контактування на вільно лежачі ґрати, покриту двома шарами сіток, засипаний каталізатор. У цій секції відбувається, безпосередньо, синтез формальдегіду. Розігрів контактної маси, при пуску, до температури 300ч350°С, при якій починається реакція перетворення метанолу у формальдегід, здійснюється включенням електрозапалу, що представляє собою три ніхромові спіралі (діаметром 0,4 мм), покладені поверх шару каталізатора. Подальший підйом температури відбувається за рахунок тепла, що виділяється за реакцією. Секція контактування оснащена штуцером для підведення метаноло-повітряної суміші, люком-лазом (для завантаження й вивантаження каталізатора). У зв'язку з тим, що метаноло-повітряна суміш вибухонебезпечна, на випадок аварійних ситуацій, секція контактування оснащена, також, двома підривними мембранами. Для контролю температури в шарі каталізатора є два штуцери, призначених для приєднання датчиків температури.

Синтез формальдегіду протікає з виділенням тепла при температурах 550ч700°С. При таких температурах формальдегід нестійкий і можливо його необоротне розкладання, тому потрібне швидке охолодження (загартування) контактних газів до температури не вище 200°С. ІЗ цієї причини безпосередньо під верхньою секцією контактного апарата (у нижній секції) змонтований теплообмінник (підконтактний холодильник). Підконтактний холодильник являє собою кожухотрубний одноходовий теплообмінник, по трубному просторі якого рухаються контактні гази, а в між трубному просторі відбувається кипіння водного конденсату. Для рівномірної подачі конденсату й відводу водяної пари є по шести штуцерів, розташованих радіально, відповідно в нижній і верхній частинах міжтрубного простору. У нижній частині холодильника є: штуцер для відводу контактних газів, люк-лаз (для регламентних робіт), дренажний штуцер. Для компенсації температурних напруг на корпусі підконтактного холодильника передбачений лінзовий компенсатор. Контактний апарат установлюється на несучі балки металоконструкції за допомогою спідничної циліндричної опори.

Вибір матеріалу основних елементів апарата

На вибір конструкційних матеріалів для виготовлення апаратів хімічної промисловості впливає ряд факторів, таких як:

- агресивність середовища, з якої контактує матеріал;

- температура;

- тиск;

- вартість матеріалу;

- легкість його обробки й т.д.

Головними із цих умов є агресивність середовища й температура.

У контактному апарату розглянутої конструкції можна виділити три групи деталей і вузлів: деталі, що стикаються з контактним газом і метаноло-повітряною сумішшю (обичайка, кришка й днище, труби під контактного холодильника, трубні ґрати т.д.); деталі, що стикаються з водяною парою й конденсатом (штуцера для підведення конденсату й відводу пари, трубчатка підконтактного холодильника й т.д.); деталі, що перебувають у контакті тільки із зовнішнім середовищем (монтажні штуцера, опора й т.д.).

Контактний газ є агресивним середовищем і має досить високу температуру, до 700°С, тому вузли й деталі, що стикаються з ним, варто виготовляти з жароміцних матеріалів з високою корозійною стійкістю. Цим умовам задовольняють високолеговані сталі типу 12Х18Н10Т (ДЕРЖСТАНДАРТ 5632 - 61). Ця сталь володіє гарними міцнисними властивостями, жароміцна при температурах 700°С, характеризується високою корозійною стійкістю в багатьох агресивних середовищах, технологічна в обробці, добре деформується в гарячому й холодному станах, добре зварюється всіма видами зварювання й не вимагає обов'язкової термічної обробки виробу після зварювання. Єдиний недолік цього матеріалу - висока вартість.

Інша група деталей перебуває в контакті з водяною парою й конденсатом при температурах порядку 100ч150°С. Вода є менш агресивним середовищем у порівнянні з контактним газом, тому для виготовлення вузлів і деталей, що контактують із водою, можна використовувати сталі з меншою корозійною стійкістю й жаростійкістю, такі як вуглецеві або низьколеговані сталі. У конструкції діючих контактних апаратів для виготовлення деталей контактуючих з водою застосовується низьколегована сталь марки 09Г2С (ДЕРЖСТАНДАРТ 5520 - 62). Саль цієї марки характеризується підвищеною міцністю й ударною в'язкістю, добре деформується й обробляється різанням, легко зварюється всіма видами зварювання, однак, нестійка в багатьох агресивних середовищах. Використання цієї сталі вигідніше й з фінансової точки зору у виді її дешевини.

Деталі, що перебувають у контакті тільки із зовнішнім середовищем, варто виготовляти з можливо більше дешевих матеріалів, що володіють, однак, достатньою механічною міцністю. У конструкції діючого контактного апарата для виготовлення такого роду деталей використовується вуглецева сталь Ст.3сп. (ДЕРЖСТАНДАРТ 380 - 60). Сталь цієї марки характеризується гарним сполученням механічних властивостей, що дозволяють застосовувати її для виготовлення відповідальних деталей і вузлів, добре обробляється різанням і тиском, добре зварюється всіма видами зварювання, однак, як і сталь марки 09Г2С нестійка в багатьох агресивних середовищах.

У якості прокладок матеріалу в діючих контактних апаратів використовується пароніт марки ПОН-Б (ГОСТ 481 - 80). Цей матеріал може використовуватися в агресивних середовищах при робочих тисках середовища до 6 МПа й температурах до 500°С [17, c.240], отже, вибір його виправданий.

2.3 Фізико-хімічні основи технологічного процесу

Дегідруванням або окисленням первинний спиртів отримують лише формальдегід (з метанолу).

Формальдегід НСНО являє собою у безводому стані незабарвлений газ з гострім дратівливим запахом(т.конд. - 19?С при ?0,1 МПа). При зберіганні він легко полімеризується и нечасто випускається у вигляді твердого полімеру - параформальдегіду (параформ), який легко деполімеризується. Параформ є лінійним полімером з оксиметиленовими ланками, що повторюються (число їх від 8 до 100):

nHCHO + H?O - H[- O - CH? -]n - OH.

Великою частиною формальдегід випускають у вигляді 37%-го водного розчину, званого формаліном.У нім формальдегід присутній у вигляді гідрата СННО·Н?О і низькомолекулярних полімерів (поліоксиметіленгліколі). Щоб уникнути більш глибокої полімеризації і випадання осаду до формаліну додають метанолу як стабілізатора.

Формальдегід випускають в дуже крупних масштабах і застосовують для виробництва ряду полімерів (феноло-, карбамідо- і меламіноформальдегідні полімери, поліформальдегід) і як проміжна речовина для синтезу ізопрена, пентаеритриту, гексаметилентетраміну (уротропін) і інших коштовних речовин.

Крім способу окислення нижчих парафінів, що зустрічався раніше, головну масу формальдегіду виробляють з метанолу двома методами - дегідруванням, поєднаним з частковим окисленням, і окисленням в надлишку повітря.

Поєднання дегідрування і окислення метанолу

Дегідрування первинних спиртів, у тому числі метанолу, менш сприятливе в порівнянні з вторинними спиртами за умовами рівноваги і селективності реакції. З цієї причини, а також з метою усунення ендотермічності процесу здійснили поєднане дегідрування і окислення метанолу:

CH?OH > HCHO + H?, - ?Н? = - 85,3 кДЖ/моль;

CH?OH + 0,5О? > НСНО + Н?О , - ?Н? = 156,3 кДЖ/моль.

Можна так підібрати співвідношення цих реакцій, що сумарна реакція буде екзотермічна настільки, щоб відшкодувати втрати тепла в довкілля і нагрівати вихідну суміш до потрібної температури. Практично при здобутті формальдегіду таке положення досягається, коли процес на 55% йде через окислення і на 45% через дегідрування, і тоді процес можна здійснити в адіабатичних реакторах, що не мають поверхонь теплообміну. У цьому полягає одна з переваг поєднаного процесу окислення і дегідрування спиртів. При вказаному співвідношенні реакцій дегідрування і окислення вихідна пароповітряна суміш повинна містити ?45% (об.) метанолу, що знаходиться за верхньою межею вибуховості метанолу в повітрі [34,7% (об.)].

При здобутті формальдегіду окрім основних реакцій протікають побічні процеси глибшого окислення, дегідрування і гідрування, що ведуть до утворення оксидів вуглецю, мурашиної кислоти, води і метану:

СН?ОН > НСНО > НСООН > СО? + Н?О,

СН?ОН > НСНО > СО, Н? + 0,5О? > Н?О,

СН?ОН + Н? > СН? + Н?О, СО? + Н? - СО + Н?О.

Окислювальне дегідрування проводять при нестачі кисню, тому глибоке окислення не отримує значного розвитку. В той же час саме дегідрування, що ініціюється киснем, протікає швидше, і всі раніше згадані побічні реакції не так помітні, як при дегідруванні інших первинних спиртів. Це дозволяє проводити реакцію при вищій температурі (500 - 600 ?С), великій швидкості і часу контакту 0,01 - 0,03 с. Вихід формальдегіду на пропущену сировину досягає 80 - 85% при мірі конверсії метанолу 85 - 90%. Відмічено, що додавання води до вихідного метанолу підвищує вихід і міру конверсії, мабуть, в результаті розкладання ацеталів. Каталізаторами синтезу формальдегіду цим методом служить металева мідь (у вигляді сітки або стружок) або срібло, обложене на Al?O?. Останній каталізатор виявився найбільш ефективним і шороко застосовується в промисловості.

Кінетика реакцій

При температурі 600 - 700°С швидкість перетворення метанолу у формальдегід лімітується підведенням реагентів до поверхні каталізатора, тобто процес протікає у зовні дифузійній області. Кінетична область протікання реалізується при температурі нижче 300°С. Ознаки перетворення метанолу у формальдегід спостерігається вже при температурі 200 - 240°С. Вихід формальдегіду в цих умовах становить приблизно 1% при конверсії метанолу 1,5 - 2%.

При температурі 200°С вихід формальдегіду 3,6% при конверсії метанолу 4,6%. Реакції протікають у цьому випадку по окисному механізмі. При температурі 290 - 300°С реакція зміщається в перехідну область. При 300°С відбувається «запалювання» каталізатора. Температура мимовільно підвищується до 600 - 700°С, що відповідає заданому співвідношенню О2:СН3ОН. Зворотному переходу процесу в кінетичну область сприяє зниженню температури до 350°С за рахунок збільшення швидкості потоку реагентів. У цьому випадку формальдегід є проміжним продуктом реакції: при часі контакту (5 - 10)*10-3 секунд відбувається нагромадження його, а при подальшому часі контакту спостерігається його витрата. Кінцевий продукт реакції - вуглекислий газ. При 370 - 400°С процес переміщається в область зовнішньої дифузії. Протікання процесу в дифузійній області обумовлює значної різниці концентрацій реагентів і продуктів реакції на поверхні срібла й у потоці. Сама хімічна взаємодія між молекулами метанолу й кисню відбувається дуже швидко й розігрів каталізатора настільки великий, що він виявляється достатнім для підтримки високої температури реакції. Конверсія кисню різко зростає. На промислових установках при (600 - 700)°С селективність досягає значень 91 - 93%. Об'ємний вміст водню в газоподібних продуктах 18 - 20%. Тобто проведення реакції в дифузійній області має переваги, тому що різко зростає активність і селективність каталізатора, що приводить до значного підвищення продуктивності каталізатора (на 1,5-2,0 порядку) і виключає необхідність підведення тепла з зовні для підтримки температури в реакторі. Максимальна селективність утворення формальдегіду 90% відбувається при значенні співвідношення О2:СН3ОН у межах 0,68:0,7. При русі гарячої реакційної суміші від шару каталізатора відбувається наростання кількості вуглекислого газу й водню з одночасним зменшенням формальдегіду. Для зниження цього процесу необхідне охолодження реакційної суміші поверхнею з температурою не вище 170°С. Це здійснюється в підконтактному холодильнику.

3. Опис технологічного процесу

Одержання метаноло-повітряної суміші

Метанол з ємності надходить через зворотні клапани до I, II, III технологічних ниток на "метанольні гребінки", де до "свіжого" метанолу додається "зворотний" метанол з вузлів ректифікації. Метанол (для однієї технологічної нитки) від "метанольної гребінки" попередньо підігрівається в 2-х нижніх вбудованих теплообмінниках абсорбційної колони до 65°С, і надходить для утворення спиртоповітряної суміші в спиртовипарник. Щоб знизити побічні реакції процесу одержання формальдегіду, метанол у змішувачі змішується з деминералізованою або надсмольною водою.

Спиртовипарник складається з випарника, виносної камери, що гріє, - теплообмінника і змонтованого під нею відстійника.

Повітря з атмосфери, попередньо очищене від пилу на фільтрі, подається повітродувками, з тиском (0,5 - 0,8) кгс/см2 і температурою (30 - 70)°С та витратою (3000 - 11000) м3/год через зворотний клапан у верхню частину виносної камери, що гріє. На кожну технологічну нитку передбачено по три повітродувки продуктивністю 6000 м3/год кожна - дві в роботі, одна в резерві або ремонті.

Метаноло - водяна суміш зі змішувача з температурою (20 - 65)°С и витратою (6 - 14) м3/год подається у відстійник спиртовипаровувача, де в конічній частині відділяються й збираються механічні домішки.

Рівень у випарнику підтримується подачею метанолу. При рівні метанолу у випарнику 20% повітродувки відключаються.

Метанол у спиртовипаровувачі підігрівається парою під тиском 2 кгс/см2, що подається з парозбірника у виносну камеру, що гріє, теплообмінник спиртовипаровувач. Температура метанолу у випарнику підтримується (52-85)°С у залежності від концентрації метанолу.

Утворення метаноло - повітряної суміші відбувається у верхній частині виносноі камери, що гріє, куди через барботер подається повітря від повітродувок. Потім у випарнику рідкий метанол відділяється, за допомогоюкраплевідбійника, і метаноло - повітряна суміш надходить у перегрівник.

Метаноло - повітряна суміш у перегрівнику перегрівається до (90 - 145)°С парою 6 кгс/см2, що подається у між трубний простір, для запобігання конденсації й влучення рідкого метанолу на каталізатор, що при цьому знижує свою активність. Перегріта метаноло - повітряна суміш, пройшовши вогнетрив, заповнений порцеляновими кульками й кільцями Рашига, які служать для запобігання влучення відкритого вогню в спиртовипаровувач, надходить у верхню частину контактного апарата.

Синтез формальдегіду

Утворення формальдегіду з метанолу відбувається в контактному апараті при проходженні метаноло - повітряної суміші через шар каталізатора при температурі (550 - 600)°З ("м'який режим") або з додаванням води при температурі (650 - 700)°З ("жорсткий режим").

Контактний апарат являє собою вертикальний циліндричний апарат, у нижній частині якого розташований кожухотрубний теплообмінник, у між трубний простір якого подається водяний конденсат, а по трубному просторі проходять реакційні гази. Каталізатор укладається на 2 шари нержавіючої сітки, (10х10) мм і (1х1) мм, висотою (120-150) мм, а зверху міститься електрозапальника.

Розігрів контактної маси, при пуску, до температури (300 - 350)°С, при якій починається реакція перетворення метанолу у формальдегід, здійснюється включенням електрозапальника, а подальший підйом температури відбувається за рахунок тепла реакцій.

Температура в шарі каталізатора підтримується автоматично, подачею пари в камеру, що гріє, спиртовипаровувача, і супроводжується світловою й звуковою сигналізацією при температурі в шарі каталізатора 620°С - в "м'якому режимі" і 720°С - в "жорсткому режимі". При досягненні температури в шарі каталізатора в "м'якому режимі" - 650°С, а в "жорсткому режимі" - 750°С відбувається автоматичне відключення повітродувки поз.М1/1-3.

У результаті реакцій, що протікають у шарі каталізатора, з метаноло-повітряної суміші утворяться контактні гази, до складу яких входять: формальдегід, водень, вуглекислий газ, окис вуглецю, азот, пари води, непрореагований метанол.

Для запобігання термічного розкладання формальдегіду, що утворився, і припинення побічних реакцій, контактні гази, що виходять із зони контактування, різко прохолоджуються в під контактному холодильнику до температури не більше°200 С за рахунок випару водного конденсату, що надходить із парозбірника у міжтрубний простір підконтактного теплообмінника. Паро-водяна суміш, що утворилася в під контактному холодильнику, за рахунок природної циркуляції надходить у парозбірник, де відділяється пара від конденсату. Тиск пари в парозбірнику (1,8-2)кгс/см2, підтримується порою що подається у парозбірник із частотовимірювального від колектора.

Конденсат з теплообмінника спиртовипаровувача збирається в конденсатозбірник, звідки насосами через зворотний клапан подається в парозбірник.

3.1 Опис обраної технологічної схеми процесу

Технологічна схема виробництва формальдегіду окислювальним дегідруванням метанолу зображена на рис. 1. Метанол, який містить 10- 20% води, з напірного бака 1 безперервно поступає у випарник 2. Туди ж через розподільний пристрій подають повітря, очищене від пилу і інших забруднень. Повітря борбатує через шар водного метанолу в нижній частині випарника і насичується його парами. У 1 л пароповітряної суміші, що утворюється, повинно міститися 0,5 г метанолу. Постійність такого складу суміші дуже важлива для забезпечення вибухобезпечності і нормального протікання процесу. Тому робота випарної системи повністю автоматизована: підтримують однаковий рівень рідини у випарнику, її температуру і швидкість подачі повітря, завдяки чому забезпечуються необхідні температурний режим і міра конверсії в адіабатичному реакторі.

Рис. 1. Технологічна схема виробництва формаліну: 1- напірний бак; 2 - випарник; 3 - перегрівач; 4 - реактор; 5,8 - холодильники; 6 - абсорбер; 7 - скрубер; 9 - збірник; 10-насос

Пароповітряна суміш проходить бризгоуловлювач, що знаходиться у верхній частині випарника, потім перегрівач 3 і через насос 10 поступає в реактор 4, в середній частині якого знаходиться каталізатор. Реакційні гази відразу ж потрапляють в підконтактний холодильник 5 (змонтований разом з реактором), де відбувається швидке охолоджування суміші і запобігається розпад формальдегіду. У різних схемах охолодження здійснюють проточною водою або паровим конденсатором, коли холодильник відіграє роль генератора пари низького, середнього або навіть високого тиску. Отримана пара (або гаряча вода) служить для перегріву суміші, що поступає, в перегрівачі 3 і для обігріву випарника 2. Охолоджені реакційні гази поступають в абсорбер 6, виконаний у вигляді тарілчастої колони; рідину на тарілках охолоджують внутрішніми або виносними холодильниками (на схемі не зображені). Абсорбер зрошують такою кількістю води, щоб в кубі вийшов 36 - 37%-й формалін. Стадії абсорбції і розділення продуктів оформляють двома різними способами.

При одному з цих способів в абсорбері поглинають як формальдегід, так і неперетворений метанол, який міститься в продуктах реакції в кількості, якраз достатній для стабілізації формальдегіду. У цьому випадку верхню тарілку абсорбера охолоджують розсолом, а колона 7 служить лише для санітарного очищення газу, тоді як для здобуття безметанольного формаліну (потрібного інколи в різних цілях) необхідна установка для відгону метанолу.

При другому способі в абсорбері поглинають переважно формальдегід; тоді скрубер 7 служить для абсорбції метанолу, який відганяють від води і повертають на реакцію. У обох випадках формалін з куба абсорбера 6 охолоджують в холодильнику 8 і збирають в збірнику 9.

4. Розрахунок насадкового скрубера

4.1 Технологічний розрахунок

Поверхня масопередачі може бути знайдена з основного рівняння масопередачі:

, (1)

де Кх і Ку - коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м2?с);

- середні рушійні сили по фазах, кг/кг; М - кількість метанолу, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с.

Маса метанолу, яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію

Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:

= Lmin() (2)

де L, G - витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;

- початкова і кінцева концентрації метанолу у воді, кг /кг H2O; , - початкова і кінцева концентрації метанолу в газі, кг /кг повітря; Lmin - мінімальні витрати абсорбента за умови рівноважної кінцевої концентрації метанолу у воді .

Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і рідині у обраній для розрахунку розмірності:



(3)

(4)

За умови = 0.

Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.

Густина метанолу за робочих умов:

= 6,38 кг/м3. (5)

Густина повітря за робочих умов:

= 7,116 кг/м3, (6)

де = 32 кг/кмоль - молекулярна маса метанолу; Мпов = 29 кг/кмоль - молекулярна маса повітря.

Початкова масова доля метанолу в газовій суміші:

0,048 (7)

0,000956



Густина газової суміші на вході в абсорбер:

ссум =упоч?+ (1 - уп) спов=0,053?6,38 + (1 -0,053)?7,116=7,08 кг/м3. (8)

Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:

Gсум = V?ссум = 80?7,08/3600 = 0,1573 кг/с. (9)

Витрата повітря G:

G = Gсум(1 - ) = 0,1573(1 - 0,048) = 0,1498 кг/с.

Маса метанолу, що поглинається водою за одиницю часу:

М = G = 0,1498(0,05 - 0,00095) = 0,00734 кг/с (10)

Для визначення кінцевої рівноважної концентрації метанолу у воді спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію метанолу у воді в мольних частках:

= 239,29, (11)

де П - тиск в абсорбері, мм. рт. ст.; Е = мм рт. ст. - константа Генрі для системи метанол - вода

Відносна масова концентрація:



= = 423,76 , (12)

де Мв = 18 кг/кмоль - молекулярна маса води.

З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:

Lmіn = М/ = 0,00734 / 423,76= 17,3 кг/с.

Робоча витрата абсорбента [2]:

L = 1,3 Lmіn = 1,3?17,3 = 22,517 кг/с.

Кінцева концентрація метанолу у воді на виході з абсорбера:

0,00734/ 22,517=3,25 . (13)

Питома витрата поглинача:

? = L/G = 22,517/0,1497 = 150,4 кг/кг. (14)

Перевіримо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:

М = G(п - к) = L( - ). (15)

Баланс дотримується.

Рушійна сила масопередачі

Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази:

, (16)



де ; ; - концентрація метанолу на вході газу в абсорбер, рівноважна з концентрацією метанолу у воді на виході рідини з абсорбера; - концентрація метанолу на виході газу з абсорбера, рівноважна з концентрацією метанолу у воді на вході рідини в абсорбер.

Враховуючи, що за умови = 0, також дорівнює нулю.

Рівняння рівноваги між фазами при концентраціях у відносних масових одиницях має вигляд:

= m (17)

Знайдемо коефіцієнт розподілу m і :

m = = 0,05/423,76 = 117,99; (18)

= 117,99·= 117,99?3,25 = 0,0383.

Тоді

0,05 - 0,03845 = 0,01165;

0,00095 - 0 = 0,00095;

= (0,01165 - 0,00095)/?n(0,01165/0,00095) = 0,00427

Швидкість газу і діаметр абсорбера

Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

d = , (19)



де V - об'ємні витрати газу за робочої температури t в абсорбері, м3 / с;

V0 - об'ємні витрати газу за нормальної температури t0;

w - швидкість газу, віднесена до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Для насадкових колон швидкість газу приймають на 15 - 30 % менше швидкості захлинання wз, яку визначають із залежності [1]:

Rег = 0,045 Аr0,57 (G/L)0,43, (20)

Аr =

критерій Архімеда; а - питома поверхня насадки, м2 / м3; мг - в'язкість газа при температурі в абсорбері, Па?с; L, G - витрати фаз, кг / с; dе - еквівалентний діаметр насадки,м; сг і ср - густина газу і рідини відповідно, кг/м3. L, G - витрати фаз, кг / с.

Густина сг = 7,08 кг/м3 (попередні розрахунки); ср = 999 кг/м3.

Витрати фаз: L = 22,517 кг/с; G = Gсум = 0,1497 кг/с.

Знайдемо в'язкість повітря і аміаку при робочій температурі (250С) за залежністю [3]:

, (21)

де µ0 - в'язкість за нормальних умов, Па?с; Т - абсолютна температура, 0С; С - постійна.

Для повітря µ0 = 17,3?10-6 Па?с; С = 124.

Після розрахунків по наведеному рівнянню отримаємо: в'язкість повітря, µп = 18,57?10-6 Па?с; в'язкість метанолу µА = 10,2?10-6 Па?с.

Розрахуємо в'язкість газової суміші µг із залежності [3]:



, (22)

= 117,99· (23)

де Мс - молекулярна маса суміші, кг/кмоль.

Мс = 32?0,053 + 29(1 - 0,053) = 28,841 кг/кмоль.

Мс/µг = 135098 + 1478891 = 1613989,

звідки µг = 17,87?10-6 Па?с.

Число Архімеда

Аr = = 2,793?1011.

Число Рейнольдса

.

Фіктивна швидкість захлинання:

wз = = 0,896 м/с.

Робоча швидкість:

w = 0,8?0,896 = 0,717 м/с.

Об'ємні витрати газу за робочих умов:

V = Gсум/ссум = 0,1573/7,08 = 0,0222 м3/с. (24)

Діаметр абсорбера:

d =((4?0,0222/(3,14?0,717))0,5 = 0,198 м.

Приймемо діаметр абсорбера (з ряду стандартизованих діаметрів) d = 0,4 м.

Тоді дійсна швидкість газу в абсорбері:



w = 4V/(рd2) = 4?0,0222/(3,14?0,42) = 0,176 м/с.

Розрахунок густини зрошування і коефіцієнта змочуваності насадки

Густину зрошування (швидкість рідини) розрахуємо за формулою:

U = L/(ср?S), (25)

де S - площа поперечного перерізу абсорбера, м2; L - витрати абсорбенту, кг/с; ср - густина рідини, кг/м3.

U = 22,517/(999?0,785?0,42) = 0,179 м/с,

Визначимо мінімальну ефективну густину зрошування Umin по залежності:

Umіn = аqеф, (26)

де qеф - ефективна лінійна густина зрошування;

а - питома поверхні насадки, м2/м3; для кілець Рашига а = 80 м2/м3; qеф = 0,022?10-3 м2/с.

Umіn = 80?0,022?10-3 = 1,76?10-3 м/с.

Таким чином U > Umіn, тобто коефіцієнт змочення насадки Ш = 1.

Таким чином, можна вважати, що коефіцієнт змочуваності насадки Ш = 1.

Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі

а) У газовій фазі з рівняння (насадка нерегулярна):

Nu, (27)

Nuг = ;



вг - коефіцієнт масовіддачі для газу,; Dг - коефіцієнт дифузії компоненту в газовій фазі, м2/с; у = 80 - питома поверхня насадки, м2/м3; сг = 7,08 - густина газу, кг/м3; µг = 17.87?10-6 - в'язкість газу, Па?с; w = 0,442 - фіктина швидкість газу, м/с; dе = 0,036 - еквівалентний діаметр насадки, м.

Коефіцієнт дифузії метанолу у повітрі за нормальних умов D0 = 19?10-6 м2/с.

Визначимо коефіцієнт дифузії при робочих умовах по залежності:

Dг = D0= 19?10-6?(760/760·6)?(298/273)3/2 = 3,61?10-6 м2/с.

Критеріїї Rег і Рrг:

Rег = 4?0,176?7,08/(80?17,87?10-6) = 3501,4;

Рrг = 17,87?10-6/(7,08?3,61?10-6) = 0,699.

Критерій Nuг:

Nu = 0,407?3501,40,655?0,6990,33 = 75,76.

Коефіцієнт масовіддачі:

вг = 75,76?3,61?10-6 /0,036 = 0,00579 м/с.

Перерахуємо вг у обраній для розрахунку розмірності:

вг = 0,061(сг - ) = 0,061( 7,08 - 0,1699) =0,4215 кг/(м2?с).

= сг?= 7,08?0,024 = 0,1699 кг/м3

= ( = (0,048 + 0,000956)/2 = 0,024 кг



б) У рідкій фазі по залежності:

Nuр = 0,0021 , (28)

де - Nuр =1; вр - коефіцієнт масовіддачі для рідини, м/с; - приведена товщина рідкої плівки, м; L = 2,04 - масова витрата рідини, кг/с;

Dр - коефіцієнт дифузії компоненту в рідині, м2/с; µр = 0,95?10-3 - в'язкість рідини, Па?с;

ср =999 - густина рідини, кг/м3; S = 0,5 - площа поперечного перерізу колони, м2; у = 80 - питома поверхня насадки, м2/м3; Ш=1 - коефіцієнт змочуваності насадки.

Коефіцієнт дифузії метанолу у воді при 200С D20 = 0,002?10-3 м2/с.

Перерахуємо до робочих умов:

Dt = D200 [1 + 0,02(t - 20)] = 0,002?10-6[1+0,02(25-20)] = 0,0022?10-6 м2/с.

Число Рейнольдса:

Rер = 4?22,517/(0,5?80?1?0,95?10-3) = 9116,2.

Число Прандтля:

Рrр = 0,95?10-3/(999?0,0022?10-3) = 0,4323.

Приведена товщина плівки:

дпл = [(0,95?10-3)2 / (9992?9,8)]1/3 = 45,19?10-6 м.

Число Нусельта:

Nuр = 0,0021?9116,20,75?0,43230,5 = 1,289.

Коефіцієнт масовіддачі в рідкій фазі:

ву = 1,289?0,0022?10-3/(45,19?10-6) = 0,0627 м/с.

Виразимо вх в обраній для розрахунку розмірності:



вх = 0,0672(ср - ) = 0,0672(999 - 0,1623) = 67,12 кг/(м2?с).

= = =999?0,0001625/1,0001625=0,1623 кг/м3

середня об'ємна масова концентрація метанолу в рідині; - середня відносна масова концентрація метанолу у рідині.

Коефіцієнт масопередачі, поверхня масообміну і висота абсорбера

Коефіцієнт масопередачі знайдемо з рівняння адитивності фазових дифузійних опорів:

Ку = 1/(1/ву + m/вх), (29)

де вх і ву - коефіцієнти масовіддачі відповідно у рідкій і газовій фазах, кг/(м2?с);

m = 0,24 - коефіцієнт розподілу.

Ку = 1/(1/0,4215 + 117,99/67,12) = 0,243 кг/(м2?с).

Поверхня масообміну з основного рівняння масопередачі:

F = М/(Ку?) = 0,00734/(0,243?0,00427) = 7,07 м2.

Висота насадки:

Нн = F/ (0,785 уd2Ш) = 7,07/(0,785?80?0,42?1) = 0,7 м.

Загальна висота насадкової колони:

Н = Нн + h1 + h2 , (30)



де h1 - відстань від верху насадки до кришки абсорбера; h2 - відстань між днищем абсорбера і насадкою. За рекомендацією [2] приймаємо h1 = 2 м; h2 = (1ч1,5)d = 1,5d = 1,5?0,4 = 0,6 м.

Відношення висоти насадки до діаметра колони Н/d=3,7/0,8=4,625

Над верхнім шаром насадки встановлюємо розподільну тарілку ТСН-III. Тоді Н = 0,7 + 2 + 0,6 = 3,3м.

4.2 Гідравлічний розрахунок

Опір зрошуваної насадки при плівковому русі розрахуємо за емпіричним рівнянням

ДРзр= ДРс?10bU, (30)

де ДРс - опір сухої насадки, Па; b - дослідний коефіцєнт; U = 4,1?10-3 - густина зрошування, м3 / (м2·с). Постійна b залежить від типу насадки та її укладання; для неупорядкованої насадки з кілець Рашига [1] b = 169.

Гідравлічний опір сухої насадки ДРс визначимо за рівнянням:

ДРс = л, (31)

де л - коефіцієнт опору; dе = 0,036 - еквівалентний діаметр насадки, м; w0- швидкість газу у вільному січенні насадки (в м/с), w - фіктивна швидкість газу в колоні; е - питомий об'єм насадки м3/м3.

w0 = w/е = 0,176/0,72 = 0,244 м/с.



З попередніх розрахунків Rег =3501,4. При турбулентному русі:

л = 16/ = 16/3501,40,2 = 3,1. (32)

Гідравлічний опір сухої насадки:

ДРс = 3,1 = 12,67 Па.

Гідравлічний опір зрошуваної насадки:

ДРзр = = 2,24 Па

4.3 Конструктивний розрахунок

Товщина обичайки:

, (33)

де D = 0,8 м - внутрішній діаметр апарату;

р = 0,02 МПа - надлишковий тиск в апараті;

[у] = 230 МПа - граничне напруження для сталі Х18Н10Т;

ц = 0,8 - коефіцієнт послаблення обичайки із-за зварного шва;

Ск = 0,001 м - добавка на корозію.

= 0,001 м.

Відповідно до рекомендацій [2] приймаємо товщину обичайки д = 8 мм.

Опорна решітка

Шар насадки розташовується на опорній решітці, конструкція якої показана на рис. 2:



Рис. 2. Конструкція опорної решітки

Для завантаження й вивантаження шару насадки в корпусі колони повинні бути передбачені два люки: один - під розподільною тарілкою, другий над опорною решіткою.

Діаметр люка для колон діаметром 400 мм - 100 мм.

Днища

Найбільше поширення в хімічному машинобудуванні одержали еліптичні відбортовані днища за ГОСТ 6533 - 78, товщина стінки днища = 6 мм

Рис. 3. Еліптичне днище

Маса днища mд = 9,9 кг.

Фланці.

Сполука царги із днищами здійснюється за допомогою плоских приварних фланців по ОСТ 26-428-79 [4]:



Рис. 4. Фланці

Штуцери.

Діаметр штуцерів розраховується по формулі:

d = , (34)

де G - масова витрата, кг/с

с - густина речовини, кг/м3

w - швидкість руху речовини в штуцері.

Приймаємо швидкість рідини в штуцері w = 1 м/с, а для газової суміші w = 25 м/с, тоді :

діаметр штуцера для входу й виходу води:

d1,2 = (22,517/0,7851999)0,5 = 0,170м,

приймаємо d1,2 = 170 мм.

діаметр штуцера для входу й виходу газової суміші:

d3,4 = (0,1573/0,785257,08)0,5 = 0,034 м, приймаємо d3,4 = 34 мм.

Усі штуцери забезпечуються плоскими приварними фланцями за ГОСТ 12820-80, конструкція й розміри яких показані нижче:



Рис. 5. Фланці штуцерів

Приймаємо усі 4 штуцери діаметром 219 мм. Розрахунок опори.

Апарати вертикального типу із співвідношенням Н/D > 5, які розташовують на відкритих площадках, оснащують циліндричними опорами, конструкція яких показана на рис. 6.

Рис. 6. Циліндрична опора апарата

Розрахуємо орієнтовну масу апарата.

Маса обичайки:

mоб = 0,785()Нзс, (35)

де Dз = 0,416 м - зовнішній діаметр колони; Dвн = 0,4 м - внутрішній діаметр колони;

Нз = 3,3 м - висота циліндричної частини колони; с = 7900 кг/м3 - густина сталі.

mоб = 0,785(0,4162-0,42)3,3·7900 = 267,19 кг.

Позначимо: m1 - маса тарілки ТСН - ІІІ, кг; m2 -маса пари фланців, кг; m3 - маса опорної решітки, кг; m4 - маса днища, кг; m5 - маса кришки, кг; m6 - маса насадки, кг.

За даними [8]: m1=7,6 кг;m2 =20 кг; m3 = 9,5 кг;m4 = 9,9 кг; m5 = 36,6 кг.

Підрахуємо масу насадки.

Насипна густина насадки сн = 530 кг/м3;

m6 = 0,785 d2Нсн = 0,785?0,42?0,7?530 = 46,6 кг.

Маса води у вільному об'ємі насадки при гідро випробовуванні

m7 = 0,785 d2Нн све = 0,785?0,42?0,7?1000?0,72 = 63,3 кг.

Орієнтовна маса води (при гідро випробовуванні) в об'ємі колони, не зайнятому насадкою:

m8 = 0,785?d2(Н - Нн)св = 0,785?0,42?(3,3-0,7)?1000 = 326,56 кг.

Загальна маса колони із запасом 10% (на люки, штуцери, вимірювальні прилади тощо)

mк = 1,1(mоб + m1 + m2 + m3 + m4 + m5 + m6 + m7 + m8) = 1,1(267,19 + 7,6 + 20 + 9,5 + 9,9 + 36,6 + 46,6 + 63,3 + 326,56) = 866 кг.



Загальна вага колони:

G = mкg = 866?9,8 = 8486,5 Н.

Приймемо внутрішній діаметр опорного кільця D1 = 0,5 м; зовнішній діаметр опорного кільця D2 = 1,2 м.

Площа опорного кільця

S = 0,785(D22 - D12) = 0,785(1,22 - 0,52) = 0,93 м2.

Питоме навантаження опори на фундамент

у = G/S = 8486,5/ 0,93 = 9125,3 Па = 0,009 МПа.

Допустиме питоме навантаження на бетонний фундамент [2] уф = 15 - 25 МПа.

Таким чином, у < уф.



5. Розрахунок підконтактного холодильника

5.1 Технологічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення запасу поверхні теплопередачі при новій продуктивності.

Підконтактний холодильник призначений для швидкого охолодження контактного газу до температури 140 - 200°С у запобіганні розкладання формальдегіду, що утворився.

Для установки обраний сталевий вертикальний кожухотрубний теплообмінник із противоточним рухом теплоносія в між трубному просторі й контактному газі в трубному просторі. Теплоносій - паровий конденсат (Р = 0,32 МПа, t = 133°С).

У холодильнику передбачене шахове розташування труб (по вершинах правильних шестикутників). Температурні напруги, викликувані різницею температур між кожухом і трубами, можуть привести до руйнування апарата; у запобіганні цього на корпусі встановлений лінзовий компенсатор.

Апарат постачений штуцером виходу контактного газу Dy = 800 мм, Р = 0,6 МПа, шістьма штуцерами входу конденсату Dy = 100 мм, Рy = 1,0 МПа й шістьма штуцерами виходу пароводяної емульсії Dy = 200 мм, Рy = 1,0 МПа.

Приймаємо агрегатну схему компонування устаткування - контактний апарат змонтований безпосередньо на під контактному холодильнику.

Середня температура контактних газів:

Теплофізичні параметри контактних газів при 415 0С у таблиці 3.



Таблиця 3. Теплофізичні параметра контактних газів при 415ос

Склад	с, кг/мІ	С, Дж/кг*К	м (м с)/мІ	vМ Ткр
СН?О	0,547		514*10??	111,47
СН?ОН	0,583		226*10??	89,33
Н?О	0,327		232*10??	108
СО	0,51		309*10??	61,4
СО?	0,801		299*10??	115,5
Н?	0,036		154*10??	8,13
N?	0,51		311*10??	59,5
Суміш	1,3	1,743*10і	250*10Ї?

Густина компонентів визначена по формулі:

Густина суміші за правилом адитивності. В'язкість компонентів узята з [4, с. 430 таб. 6].

В'язкість суміші визначена по формулі:

де, m1…m2-об'ємні частки компонентів;

М1…Мn - молекулярні маси компонентів;

Ткр1…Ткр.n - критичні температури.

Теплове навантаження - це кількість теплоти, яка передається від гарячого теплоносія до холодного за одиницю часу. Його визначимо з рівняння теплового балансу,яке має вигляд (без урахування втрат теплоти в навколишнє середовище).

Якщо теплообмін відбувається без зміни агрегатного стану теплоносіїв, то



де G1, G2 - витрати теплоносіїв, кг/с;

С?, С? - питомі теплоємності теплоносіїв, Дж/(кг · К);

t?п, t?к, t?п, t?к - початкові і кінцеві температури теплоносіїв, ?С.

Тоді рівняння теплового балансу набуває вигляду:

Теплоємність суміші:

Cpсм.=1,728·10і Дж/(кг·К)

де Q - кількість теплоти, віддана контактними газами при охолоджуванні від 650?С до 180?С.

Q = 1,4·1,728·10і·(650 - 180) = 1137,024·10і Вт.

Основне рівняння теплопередачі:

Q = K·F·?tср

Попередньо визначимо орієнтовно очікувану площу поверхні теплопередачі Fор. За рівнянням теплопередачі:

Fор.=Q/(Kор.·?tср)

де Kор. - орієнтовне значення коефіцієнта теплопередачі, Вт/(мІ·К)

Орієнтовно приймаємо:Kор.=300 мІ; Fор.=40,0 мІ

Визначимо критерій Прандтля.

Найбільший відсоток в суміші складають багатоатомні гази. Набуваємо приблизного значення Pr для сумішей таке ж, як для трьохатомних газів, Pr = 0,8.

Теплопровідність суміші:

Оскільки діаметр реактора рівний 400 мм, приймаємо діаметр обичайки підконтактного холодильника Dхвн = 400 мм з трубами d = 25?2 мм і розрахуємо необхідну кількість труб:

де К - коефіцієнт заповнення трубних решіток, приймаємо К=0,7;

t - крок, t = 1,25·dвн = 1,25·0.025 = 0,031 м

За стандартом приймаємо n = 111

Швидкість руху газу:

Nu = 0,021· Re?'?· Pr?'?і = 0,021·30576?'?·0,8?'?і = 74,05



Коефіцієнт тепловіддачі для води в міжтрубному просторі.

Приймаємо теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі. Відстань між перегородками рівна 0,9 м. Площа поперечного перетину між сусідніми з'єднаннями сусідніх перегородок, рахуючи його по діаметру кожуха коефіцієнт тепловіддачі для води в міжтрубному просторі.

Приймаємо теплообмінник з поперечними перегородками в міжтрубному просторі. Відстань між перегородками дорівнює 0,9 м. Площа поперечного перерізу між сусідніми з'єднаннями сусідніх перегородок, уважаючи його по діаметрі кожуха.

Sм тр=D h (t-d)

Sм тр=3,0 0,9 (0,048 - 0,038) = 0,577 м2.

Швидкість руху води при поперечному обтіканні:

Середня температура води:

Таблиця 4. Теплофізичні параметри води при tср=106,5ос

С, Дж/кг·К	С кг/мі	м, Па·с	л, Вт/м·К	С, Дж/кг·К
4,23	954	226·10??	0,684	4,23



- турбулентний режим

Nu = 0,4· Re?'? · Pr?'і?;

Pr = 4,23·103·226·10??/0,684 = 1,397;

Nu = 0,4·25707?'? · 1,397?'і? = 200.

Коефіцієнт теплопередачі:

де rст - термічний опір сталевої сітки і її забруднень, м2К/Вт.

де бсм, б? - коефіцієнти тепловіддачі, Вт /( мІ·К);

дст - товщина стінки, м;

лст - теплопровідність матеріалу стінки, Вт / (м · К);

rст - термічний опір сталевої сітки і її забруднень, (мІ·К)/Вт;

?rст - загальний термічний опір стінки та її забруднень з двох боків, (мІ·К) / Вт.

Приймаємо:

?rст = 0,0005 (мІ·К)/Вт

Поверхня теплообміну:



З врахуванням запасу і згідно стандарту: F = 35,0 мІ; Lтр.= 4 м.

Запас площі:

Відстань між трубними решітками:

де Z - число ходів, Z=1

?rсм = 0,0005 м2К/Вт;

Поверхня теплообміну:

З урахуванням запасу 10%, Lтр = 5 м.

Відстань між трубними ґратами:

Загальна висота холодильника:

H=Lтр.+h ,

Приймаємо: h? = 0,040+0,025 = 0,065 м;

h? = 0,106+0,025 = 0,131м.

H= 5+0,065+0,131=5,196 м.



5.2 Гідравлічний розрахунок

Метою розрахунку є визначення величини гідравлічного опору.

Коефіцієнт тертя визначаємо за залежністю:

л=0,25{lg[е/3,7+(6,81/Re)?'?]}?І,

де е =? /dвн = 0,2/21 = 0,0095 - відносна шорсткість,

? = 0,2 мм - абсолютна шорсткість для труб з незначною корозією.

л = 0,25{lg[(0,0095/3,7)+(6,81/30576)?'?]}?І = 0,0545.

Швидкість руху газу в штуцерах:

wшт = G?/(0,785·dштІ·??) = 1,4/(0,785·0,250І·1,3) = 21,9 м/с

Гідравлічний опір трубного простору:

Підбір насоса для подачі газу.

Об'ємна витрата газу й напір, який повинен розвивати насос:

Q? = G?/?? = 1,4/1,3 = 0,08 мі/с,

Н = ?Ртр/?g + h =8567,2 /(1,3·9,8) + 5 = 677,5 м.



По об'ємній витраті і напору вибираємо відцентровий насос Х20/18, який забезпечує Q = 0,08 м3/с і Н = 677,5 м.

5.3 Конструктивний розрахунок

Ціль розрахунку - визначення розмірів окремих елементів, що забезпечують безпечну експлуатацію апарата за рахунок настановної механічної міцності, щільності розрахункових з'єднань, стійкості до збереження форми й необхідної довговічності.

Назначаємо матеріал для обичайки і труб - нержавіюча сталь Х18Н10Т, яка має границю міцності [у] = 230 МПа.

Розрахунок товщини обичайки:

де D = 0,4 м - внутрішній діаметр апарату;

P = 0,6 МПа - надлишковий тиск в апараті;

[у] = 230 МПа - допустиме напруження для сталі Х18Н10Т;

ц = 0,8 - коефіцієнт ослаблення обичайки із-за зварного шву;

Ск = 0,001 м - добавка на корозію.

Згідно рекомендаціям теплообмінник виготовляють з труб діаметром 426?12. Таким чином, товщина обичайки 12 мм.

Днища

Розрахунок штуцерів

Діаметр штуцерів розраховується за рівнянням:



де G - масова витрата теплоносія, кг/с;

с - густина теплоносія, кг/мі;

w - швидкість руху теплоносія у штуцері, м/с.

Значення швидкостей руху продуктів у таблиці 5.

Рис. 7. Днища теплообмінника

Таблиця 5.

Продукти	Призначення патрубка	Температура, ?С	Щільність, кг/мі	Швидкість, м/с	Витрата, кг/с
Конденсат Конденсат	вхід вихід	90 123	996 954	1,6 50	10,5 10,5
Спирто - повітряна суміш Контактні гази	вхід вихід	100 180	0,940 0,818	30 30	7 7

Приймаємо швидкість води у штуцері 0,29 м/с; швидкість газу 28 м/с, тоді:

- діаметр штуцерів для входу і виходу газу:

d = [1,4/(0,785·28·1,3)]?'? = 0,221 м;

приймаємо d = 250 мм;

- діаметр штуцера для входу газу:

d = [1,4/(0,785·0,29·954)]?'? = 0,080 м;

приймаємо d = 80 мм;

До всіх штуцерів приварюються фланці згідно з ГОСТ 12820 -80.

Конструкції і розміри фланців приведені на рис. 8.

Рис.8. Конструкція фланців

Опори апарата

Апарат по конструкції є вертикальним циліндровим апаратом. У таких випадках застосовуються опори, які розміщуються знизу апарату. Розрахунок опорних лап проводимо по максимальній силі тягарю апарату при заповнення його водою для проведення його гідравлічного випробування.

Максимальна маса апарата:

Gmax = Ga+Gв ,

де Ga - маса апарата, кг;