Дипломная работа: Проект производства формалина

воды: 27,35 = 54,7 кмоль/ч или 984,6 кг/ч.

По реакции четвертой расходуется метанола: 227,92 = 4,56 кмоль/ч или 145,92 кг/ч.

Образуется:

оксида углерода: 4,56 кмоль/ч или 127,68 кг/ч;

водорода:  кмоль/ч или 18,24 кг/ч.

Всего образуется:

водорода: 9,12 + 59,26 = 68,38 кмоль/ч или 136,76 кг/ч;

воды: 136,752 + 54,7 = 191,452 кмоль/ч или 3446,14 кг/ч.

Общий расход кислорода: 68,38 + 41,03 = 109,41 кмоль/ч или 3501,12 кг/ч.

Расход сухого воздуха:

объемная доля кислорода в воздухе, %, 20,7;

 кмоль/ч.

объемная доля водяных паров в воздухе:

%;

где, 3230 – парциальное давление водяных паров в воздухе, Па;

 – общее давление воздуха, Па.

Количество водяных паров в воздухе: 528,55/100 = 9,51 кмоль/ч или 171,18 кг/ч.

Количество воды в техническом («свежем») метаноле:

а) с учетом разбавления метанолом ректификатом

12862,72 4453,92 = 8408,8 кг/ч – количество метанола;

б) количество воды 8408,8/99,9 = 8,42 кг/ч;

где, 0,1 – массовая доля воды «свежем» метаноле, %.

Суммарное количество водяных паров в спирто - воздушной смеси:

171,18 + 114,79 + 8,42 = 294,39 кг/ч.

Расход воздуха:

25302,74 4591,67 – 8417,22 = 12293,85 кг/ч;

где, 25302,74 кг/ч, 4591,67 кг/ч и 8417,22 кг/ч расход спирто-воздушной смеси, метанола - ректификата и «свежего» метанола, соответственно.

Количество азота в воздухе:

12293,85 3501,12 – 171,18 = 8621,55 кг/ч;

где, 3501,12 кг/ч и 171,18 кг/ч количество кислорода и воды в воздухе.

Содержание метанола в спирто- воздушной смеси:

25302,74 кг/ч или 840,71 кмоль/ч-1;

840,71 100%

401,96 х%

х = 47,81%, что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Материальный баланс стадии контактирования и спиртоиспарения в таблице 16.3.

Таблица 16.3 – Материальный баланс стадии контактирования и спиртоиспарения

Сводная таблица материального баланса в таблице 16.4.

Таблица 16.4 – Сводная таблица материального баланса

Рассчитаем состав выхлопных газов в объемных долях и определим степень конверсии метанола в формальдегид по составу, пользуясь формулой:

 (16.7)

СO – 2,98 кмоль/ч 0,48 %;

CO2 – 18,34 кмоль/ч 2,97 %;

N2 – 342,5 кмоль/ч 55,55 %;

H2 – 73,4 кмоль/ч 11,9 %;

H2O – 179,37 кмоль/ч 29,1 %.

Расчет основных расходных коэффициентов

1.         Расходный коэффициент по метанолу:

2.         Расходный коэффициент по воде:

3.         Расходный коэффициент по воздуху:

16. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ

Рис.17.1 Схема теплового баланса контактного аппарата.

Qпр = G1Cp1t + G2Cp2t + G3Cp3t + G4Cp4t + G5Cp5t; (17.1)

Qрасх = G6Cp6t + G7Cp7t + G8Cp8t + G9Cp9t + G10Cp10t + G11Cp11t + G12Cp12t 17.2)

1.         Стадия синтеза

 Приход:

а) теплота реакции дегидрирования;

б) теплота реакции окисления;

в) теплосодержание спирто-воздушной смеси.

Расход:

а) теплосодержание реакционных газов на входе из зоны контактирования;

б) теплопотери в окружающую среду.

Приход:

а) на реакцию дегидрирования расходуется CH3OH = 5787,88 кг/ч;

1) CH3OH → CH2O + H2.

б) на реакцию окисления расходуется CH3OH = 7074,84 кг/ч;

2) CH3OH + ½O2 → CH2O + H2O.

Тепловой эффект реакции при 20оС (293К):

реакции (1) – (-9791,18 Вт);

реакции (2) – 492840Вт [1 с. 448];

Определим тепловой эффект реакции при 650оС (923К):

 Q923 = Q923 + ά (T – 293) + β (T2 – 2932) + j (T3 – 2933);(17.3)

где, Т – температура реакции;

β алгебраическая сумма коэффициентов деленная пополам;

ά алгебраическая сумма коэффициентов из выражений молярных теплоносителей веществ;

j алгебраическая сумма коэффициентов деленная на три [1 с. 450].

Тепловой эффект реакции дегидрирования – (-12782,14 Вт).

Тепловой эффект реакции окисления – 24837901,83 Вт.

в) теплосодержание спирто-воздушной смеси при 100°С определяем из уравнения:

 (17.4)

где, Ср – теплоемкость, [Дж/кг К] [1 с. 471];

G массовый расход, кг/ч [таблица 13].

Qс.в.с. = 3299796 Вт.

Расход:

а) теплосодержание контактных газов при 650оС

 (17.5)

где, Ср – теплоемкость, Дж/кг К;

Qк.г. = 26505323 Вт.

б) материальный баланс стадии контактирования:

Qс.в.с. + Qp = Qк.г. + Qпот;(17.6)

Qp = -12782,14 + 24837901,83 = 24825119,69 Вт.

Теплопотери определяются по разности:

Qпот = Qс.в.с. + Qр – Qк.г;. (17.7)

Qпот = 3299796 + 24825119,69 – 26505323 = 1619592,69 Вт;

что, составит:

от прихода тепла.

2. Количество воды на охлаждение контактных газов в подконтактном холодильнике: теплосодержание газов на входе в холодильник, Qк.г. = 26505323 Вт.

Температуру газов на входе из холодильника принимаем 180оС, определяем теплосодержание газов при 180оС.

Всего: i = 5416347,534 Вт.

Количество теплоты, принятой водой в холодильнике составляет:

Qохл = 26505323 – 5416347,534 = 21088975,47 Вт.

Отсюда определяем расход воды на охлаждение:

tвх = 90оС (конденсат);

tвых = 123оС (пар Р = 0,2МПа).

 (17,8)

GH2O = 37966,56 кг/ч = 10,5 кг/с.

3. Абсорбция

Приход:

а) количество тепла приходящего с контактными газами:

Qк.г. = 5416347,53 Вт;

б) тепло приходящее с оросительной водой при 20°С:

 (17.9)

где, Ср – теплоемкость воды (кДж/кг К).

в) количество тепла процесса абсорбции:

 (17.10)

Расход

а) количество тепла, уходящее с выхлопными газами, при 20°С:

 (17.11)

где, G – массовый расход (кг/ч);

Ср удельная теплоемкость (кДж/кг К); t – температура (° С).

б) количество тепла, уходящее в окружающую среду (принимаем 2 % от прихода тепла):

в) количество теплоты, принятое хладоагентом теплообменников (встроенных и выносных)

 (17.12)

где, Qф.с. – количество тепла, уходящее с формалином-″сырцом″ и рассчитывается по формуле:

 (17.13)

4. Ректификация

Тепловой баланс:

 (17.14)

где, Qф.с. – тепло формалина-″сырца″;

Q8 – тепло формалина стандартного;

Q9 – тепло формалина-″сырца″; Qрект. – тепло процесса ректификации.

17. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

17.1 Технологический расчет реактора

Главной целью технологического расчета секции контактирования является определение высоты слоя катализатора, при которой может быть обеспечена новая производительность. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.

Процесс каталитического окислительного дегидрирования метанола в формальдегид происходит в реакторе поверхностного контакта при Р = 0,76 105 Па.

Реактор (контактный аппарат) предназначен для окислительного дегидрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребряном катализаторе. Для расчета выбран вертикальный стальной цилиндрический аппарат, смонтированный непосредственно над верхней трубной решеткой подконтактного холодильника. В нижней части аппарата на свободно лежащую решетку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. Над слоем катализатора предусмотрено распределительное устройство, имеющее 24 щели размером 200500 мм для равномерного распределения потока спиртовоздушной смеси. Разогрев катализатора производят двумя нихромовыми электроспиралями (d = 0,4 м, U = 220 В).

Аппарат снабжен штуцером входа спиртовоздушной смеси Dy = 600 мм, Рy = 0,6 МПа, одним предохранительным устройством Dy = 350 мм, Рy = 0,6 МПа, люком-лазом Dy = 500 мм, Рy = 1,6 МПа.

Определяющим эталоном является диффузия.

Состав исходного газа [таблица 16.3]

CH3OH –50,84%; O2 –13,84%;

CH2O – 0,09%; N2 –34,07%.

H2O – 1,16 %;

Состав контактного газа:

CH3OH –22%; СО – 0,33%;

CH2O – 23,24%; Н2 – 0,58% ;

H2O – 12,76 %; N2 – 37,9%.

СО2 3,19%;

Плотности и вязкости компонентов смеси в таблице 18.1.

Таблица 18.1 – Плотности и вязкости компонентов смеси

Вязкости взяты [4, с. 294, таб. 10] и [7, с. 596, рис. 5]

Плотности веществ определяются по формуле:

 (18.1)

Среднее значение молекулярных масс М и плотностей газов определяют по правилу аддитивности:

 (18.2)

 (18.3)

где, n – доли компонентов смеси;

М'см = 0,5084 32 + 0,0009 30 + 0,016 18 + 0,1384 32 + 0,3407 28 = 16,27 + 0,027 + 0,288 + 4,4288 + 9,5396 = 30,53;

М"см = 0,22 32 + 0,2324 30 + 0,1276 18 + 0,0319 44 + 0,0033 28 + 0,0058 2 + 0,379 28 = 7,04 + 6,972 + 2,2968 + 1,4036 + 0,0924 + 0,0116 + 10,612 = 28,43;

ρ'см = 0,5084 1,04 + 0,0009 0,925 + 0,016 0,588 + 0,1384 1,04 + 0,3407 0,913 = 0,5271 + 0,0008325 + 0,009408 + 0,143936 + 0,3110591 = 0,9923 [кг/м3];

ρ"см = 0,22 0,4216 + 0,2324 0,3952 + 0,1276 0,237 + 0,0319 0,605 + 0,0033 0,368 + 0,0058 0,026 + 0,379 0,368 = 0,092752 + 0,09184448 + 0,0302412 + 0,0192995 + 0,0012144 + 0,0001508 + 0,139472 = 0,3749 [кг/м3].

На входе (100оС): М = 30,53;

ρ100 = 0,9923.

На выходе (650оС): М = 28,43;

ρ650 = 0,3749.

Степень превращения метанола в формальдегид 0,9067.

Температура исходной смеси 100оС, температура выхода смеси в подконтактный холодильник 650оС.

Материальный баланс реактора [таб. 16.3]

Приход спирто-воздушной смеси [м3/ч] составляет:

 (18.4)

V = 25302,74/0,9923 = 25499,08 м3/ч.

Зададимся линейной скоростью исходной газовой смеси ω = 0,8 м/с

Определяем диаметр реакционной зоны:

 (18.5)

где, S – 0,785 D2 – площадь поперечного сечения реакционной зоны, м2;

D диаметр реактора, м.

Принимаем D = 3,00 м.

Площадь сечения реактора SP = 0,785 3,02 = 7,065 м2.

Реакторы с катализатором в очень тонком слое в виде металлических сит используют для проведения реакций, протекающих с большой скоростью.

Установлено, что скорость процесса определяется скоростью диффузии от контактной поверхности катализатора. Это явление было описано Андрусовым, который сравнивая количество реагирующего метанола и метанола, проникающего путем диффузии до поверхности серебряных сит, установил, что они равны между собой.

Количество метанола, диффундирующего к поверхности катализатора, можно рассчитать, если известен коэффициент переноса массы, допустив при этом, что концентрация метанола на поверхности контакта рана нулю, т.е. скорость реакции настолько велика, что метанол непосредственно достигает контакта с серебром.

Расчет проводится для слоя катализатора с сечением 1 см2 и толщиной l образованный рядами сеток из серебряной проволоки.

Характеристика катализатора из серебра (сита):

проволоки ТУ 48 – 1 – 112 – 85;

толщина проволоки, мм – 0,22;

число ячеек на 1 см2 – 225.

Для определения коэффициентов диффузии устанавливаем с помощью материального баланса состав конечной газовой смеси. Рассчитаем производительность реактора на 1 м2 поверхности катализатора.

Производительность по метанолу составит:

Массовая скорость всей газовой смеси:

Результаты расчета в таблице 18.2.

Таблица 18.2 – Конечный состав газовой смеси

Для определения высоты слоя катализатора воспользуемся методом расчета скорости каталитического процесса, лимитируемого массообменом.

По этому методу определяем высоту единицы переноса СН3ОН (ВЕП) и число единиц переноса (Z) по формулам:

 (18.6)

где, Sуд – удельная поверхность катализатора, [м2/м3];

kМ – коэффициент массопередачи, [м/ч];

Pr – критерий Прандля .

С этой целью находим физико – химические константы исходной и конечной газовой смеси – плотности ρг [кг/м3], динамические коэффициенты вязкости μг [кг/мч], коэффициенты диффузии D [см2/с].

Значение плотностей и вязкостей компонентов смесей при начальной температуре и температуре в зоне реакции в таблице 18.1.

Коэффициенты диффузии находим последующим соотношениям, определяемым общими закономерностями диффузии газов. Для диффузии газа А в газ В.

 (18.7)

где, υА, υВ – мольные объемы газов А и В, [см3/моль];

МА, МВ – молекулярные массы газов А и В;

Р общее давление.

Для расчета принимаем следующие значения мольных объемов [см3/моль], [ 1, с. 288, таб. 6.3]:

СН3OH – 37; N2 31,2;

CH2O – 29,37; H2 – 14,3;

H2O – 18,9; CO – 29,6;

O2 – 25,6; CO2 – 34.

Коэффициенты диффузии DАсм для газа А, диффундирующего через смесь газов (В + С), вычисляем по формуле:

 (18.8)

где, NA, NB, NC – мольные доли компонентов в газовой смеси;

DAB, DAC коэффициенты диффузии для бинарных газовых смесей.

Рассчитанные таким путем коэффициенты диффузии метанола и других компонентов исходного и конечного газов процесса окисление метанола в бинарных газовых смесях, а так же значение коэффициентов диффузии метанола DСН3ОН [см2/с] в начальной и конечной газовой смеси в таблице 18.3.

Таблица 18.3 – Коэффициенты диффузии

Среднюю вязкость газовой смеси рассчитываем по уравнению:

 (18.9)

где, N1, N2, N3, … - мольные доли компонентов в газе.

Получаем μr [Па г]

при 100оС – 7 10-2;

при 650оС – 8,75 10-2.

Для расчета величин ВЕП и Z принимаем, что слой сеток серебряного катализатора подобен слою насадки колей Рашига с d = h = 0,22 мм (аналогично диаметру проволоки) для таких колец эквивалентный диаметр

 (18.10)

Удельная поверхность колец Sуд = 7,8419*103 м2/м3.

Для расчета ВЕП определяем значения критерия Рейнольдца Re и диффузного критерия Прандтля Pr:

 (18.11)

 (18.12)

Подставляя наши данные, имеем:

Коэффициент массопередачи находим по формуле:

 (18.13)

По нашим данным находим ВЕП:

 (18.14)

Число единиц переноса массы Z:

 (18.15)

где, β – изменение числа молей в результате реакции рассчитанное на 1 моль метанола;

 ССН3ОНвх, ССН3ОНвых – концентрация метанола в газе, на входе и выходе из реактора, мол. доли.

Принимаем Z ≈ 1, тогда высота слоя катализатора равна:

Н = ВЕП Z = 0,41 = 0,4 м. (18.16)

Приняв коэффициент запаса φз = 1,5 (с учетом того, что доступная для реагентов поверхность слоя из колец больше приблизительно в 1,5 раза поверхности проволочных сеток), получим:

Н = 0,4 1,5 = 0,6 м.

При диаметре проволоки 0,22 мм достаточно 0,6/0,22 = 2,73 сетки.

На практике берут с запасом, хотя в работе нужны 4 сетки. Берут еще одну сетку, т.к. верхняя сетка быстро прогорает вследствии уноса серебра.

17.2 Технологический расчет подконтактного холодильника

Целью расчета является определение запаса поверхности теплопередачи при новой производительности. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.

Подконтактный холодильник предназначен для быстрого охлаждения контактного газа до температуры 140 – 200°С во избежании разложения образовавшегося формальдегида.

Для установки выбран стальной вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с противоточным движением теплоносителя в межтрубном пространстве и контактного газа в трубном пространстве. Теплоноситель – паровой конденсат (Р = 0,3,2 МПа, t = 133°С).

В холодильнике предусмотрено шахматное расположение труб (по вершинам правильных шестиугольников). Температурные напряжения, вызываемые разностью температур между кожухом и трубами, могут привести к разрушению аппарата; во избежании этого на корпусе установлен линзовый компенсатор.

Аппарат снабжен штуцером выхода контактного газа Dy = 800 мм, Р = 0,6 МПа, шестью штуцерами входа конденсата Dy = 100 мм, Рy = 1,0 МПа и шестью штуцерами выхода пароводяной эмульсии Dy = 200 мм, Рy = 1,0 МПа.

Принимаем агрегатную схему компоновки оборудования – контактный аппарат смонтирован непосредственно на подконтактном холодильнике.

Исходные данные:

Расход охлаждаемого контактного газа 25302,74/3600 = 7,03 кг/с.

Расход охлаждающей жидкости – воды: 8,7 кг/с.

 на входе:

температура контактного газа 650оС;

температура воды 90оС.

 на выходе:

температура контактного газа 180оС;

температура воды 123оС;

Температурная схема процесса:

650 → 180

123 ← 90

∆tб = 527оС ∆tм = 90оС

 (18.17)

Средняя температура контактных газов:

 (18.18)

Теплофизические параметры контактных газов при 415С в таблице 18.4.

Таблица 18.4– Теплофизические параметра контактных газов при 415оС

Плотность компонентов определена по формуле:

 (18.19)

Плотность смеси по правилу аддитивности. Вязкость компонентов взята из [4, с. 430 таб. 6].

Вязкость смеси определена по формуле:

 (18.20)

где, m1…m2 - объемные доли компонентов;

М1…Мn – молекулярные массы компонентов;

Ткр1…Ткр.n - критические температуры.

Теплоемкость смеси:

 (18.21)

где, Q – количество теплоты, отданное контактными газами при охлаждении от 650оС до 180оС.

где, Gсм – расход контактных газов, кг/с;

tвх, tвых – температуры входа и выхода контактных газов, оС.

Определим критерий Прандтля.

Наибольший процент в смеси составляют многоатомные газы. Принимаем приблизительное значение Pr для смесей такое же, как для трехатомных газов, Pr = 0,8 [ 2, с. 187].

Теплопроводность смеси (λсм)

 (18.22)

Так как диаметр реактора равен 3,0 м, принимаем диаметр обечайки подконтактного холодильника Dхвн = 3,0 м с трубами d - 38×2 мм и рассчитаем необходимое количество труб:

 (18.23)

где, К – коэффициент заполнения трубной решетки, принимаем К = 0,7;

t шаг.

t = 1,25 dн = 1,25 0,038 = 0,048 м;

Скорость движения газа:

 (18.24)

 (18.25)

переходный режим

 (18.26)

 (18.27)

коэффициент теплоотдачи для воды в межтрубном пространстве.

Принимаем теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Расстояние между перегородками равно 0,9 м. Площадь поперечного сечения между соседними соединениями соседних перегородок, считая его по диаметру кожуха.

Sм тр=D h (t-d) [1, с. 64]; (18.28)

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

Скорость движения воды при поперечном обтекании:

 (18.29)

Средняя температура воды:

Теплофизические параметры воды при tср=106,5оС в таблице 18.5.

Таблица 18.5 – Теплофизические параметры воды при tср=106,5оС

 (18.30)

(18.31)

dэ = 0,0334 м [1, стр. 81].

 (18.32)

 (18.33)

- переходный режим

Nu = 0,24 Re0.6 Pr0,43; (18.34)

Pr = 4,23 103 226 10-6/0,684 = 1,397; (18.35)

Nu = 0,24 2819,790,6 1,3970,43 = 32,56;

 (18.36)

Коэффициент теплопередачи:

 (18.37)

где rст – термическое сопротивление стальной сетки и ее загрязнений, м2К/Вт.

∑rст = rзагр.К.Г. + rзагр.В. (18.38)

Принимаем

 [2, табл. ХХХ] (18.39)

∑rсм = 0,00041 м2К/Вт;

Поверхность теплообмена:

 (18.40)

С учетом запаса 10% F = 1160 м2, Lтр = 5 м.

Расстояние между трубными решетками:

 (18.41)

где Z – число ходов, Z = 1.

Принимаем l1 = 4 м.

Общая высота холодильника:

Н = l1 + h1; (18.42)

где, h1 – высота нижней камеры, м.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7