Проектирование производства по получению карбинола (метанола)
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
|
Наименование |
Приход |
Расход |
|||
|
кмоль/ч, 103 |
% |
кмоль/ч, 103 |
% |
||
|
Оксид углерода (IV) |
170,02 |
4,49 |
133,20 |
4,14 |
|
|
Оксид углерода |
2099,35 |
40,73 |
1583,06 |
31,56 |
|
|
Водород |
11752,82 |
16,45 |
10493,61 |
15,10 |
|
|
Метан |
530,52 |
5,9 |
519,38 |
5,96 |
|
|
Азот |
1927,88 |
32,43 |
1638,77 |
32,68 |
|
|
Диметиловый эфир |
13,31 |
0,34 |
|||
|
Карбинол |
498,11 |
9,65 |
|||
|
Изобутиловый спирт |
2,59 |
0,08 |
|||
|
Вода |
42,61 |
0,49 |
|||
|
Итого |
16480,59 |
100 |
14924,64 |
100 |
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.
"right">Таблица 4.4Таблица штуцеров
|
Название штуцера |
Dy, мм |
Ру, МПа |
Количество |
|
|
Вход продукта |
700 |
- |
1 |
|
|
Выход продукта |
500 |
- |
1 |
|
|
Холодный байпас |
200 |
10 |
3 |
|
|
Выгрузка катализатора |
300 |
10 |
3 |
|
|
Для термопары |
40 |
1,6 |
4 |
|
|
Продувка |
- |
10 |
3 |
|
|
Для загрузки катализатора |
500 |
- |
2 |
|
|
Для осмотра |
500 |
- |
2 |
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
[15] (5.39)
где Q - количество передаваемой теплоты, Вт;
К - коэффициент теплопередачи, Вт / (м2·К);
- средняя разность температур холодного и горячего теплоносителей, 0С.
Определяем расход тепла, передаваемого от циркуляционного газа к воздуху
где - массовый расход циркуляционного газа, кг/с;
- теплоёмкость циркуляционного газа, кДж/(кг·К);
- начальная и конечная температуры циркуляционного газа, 0С
Q= 141,730·2,416·(120-40)=27393,57 кВт
Тогда м2
Так как циркуляционный газ перед аппаратами воздушного охлаждения делится на
два потока, то поверхность теплообмена соответственно будет равна 7305 м2.
По ГОСТ 14246-79 выбираем аппарат воздушного охлаждения зигзагообразного
типа с диаметром труб 25Х2 мм, длиной труб 6000 мм, числом ходов 1 и площадью
поверхности теплообмена 1875 м2.