Оборудование и установка для производства формальдегида

+1807,71*4,19*30=114936,147 (кДж) нужно  отвести путем подачи H₂O в рубашку.

Q_B=m*c_p*t=1*4.19*20=83.8 (кДж) забирает1 кг H₂O,

Д_воды – расход воды:

Д_воды=1146936/83,8=13686,58 (кг).

Расчет количества пара необходимого для отгона этиленхлоргидрина.

Q_испЭХГ=10800/М*4,19=10800-70,5*4,19=641,87 (кДж/кг) теплота фазового перехода.

Q₂=Q_нагр+Q_ф.п.;

Q_ф.п.=m*Q_исп=1706,84*641,87=1095569 (кДж)

Q_нагр=Em_ic_pi(170-40)=(2240*1.425+17768*1.308+267*4.19)*70=1928500(кДж)

Q=3024069 (кДж) нужно подвести к системе, чтобы произвести отгон ЭХГ.

Д_{греющего пара}=3024069/2141=1412,45 (кг) пара.

Q_охл= Em_ic_pi(100-40)=(533,19*1,425*60+17749*1,308*60)=1430009 (кДж).

Расход воды для охлаждения формаля Д₂:

Д_воды=1430009/83,8=17064 (кг) воды.

Найдем необходимую площадь  теплообмена:

 F=Q/R*t*r=3024069/(100*142,9*12)=17,64м^3;

К- коэффициент теплопередачи (Вт/м³К)

t_ср= температура водяного пара в зависимости от давления,

17,64<35м³

Отсюда следует, что данный реактор  по тепловому балансу подойдет.

2 Технологические  расчеты

2.1 Технологический  аппарат с рубашкой и мешалкой [1]

Исходные данные:

Объем аппарата V=25 м³;

Давление в аппарате Р = 0,6 МПа;

Давление пара в рубашке Р_п = 0,6 МПа;

Начальная температура воды (пара) в рубашке t=151 ºС;

Рабочий объем аппарата

,                                                                         (2.1)

где - коэффициент заполнения аппарата.

По таблице 5.1. [1, стр. 421] выбираем аппарат с внутренним диаметром D=2,8 м., мешалка – двухлопастная.

Диаметр мешалки [1, табл. 5.3, стр. 434]:

.         (2.2)

Принимаем .

Ширина лопасти мешалки :

                                 _(2.3)

Расстояние от мешалки до днища  аппарата :

    _(2.4)

Принимаем .

Определение времени перемешивания.

Центробежный критерий Рейнольдса:

,                                                 (2.5)

 

 

 

где - плотность среды в аппарате;

- коэффициент кинематической  вязкости среды;

- частота вращения мешалки.

Центробежный критерий Фруда:

                                                            _(2.6) 

Глубина воронки в аппарате:

                   _(2.7)

Время перемешивания для мешалки:

Принимаем предварительно временный  КПД аппарата

,                                                                                  (2.8)

где - вспомогательное время работы реактора, и находим общее время цикла

.                                                                              (2.9)

Необходимое время реакции (с последующим уточнением):

                                              _(2.10)

Рабочий объем реактора идеального вытеснения:

,                                                 (2.11)

- массовый расход реакционной  смеси; 

- плотность реакционной смеси.

Общий объем реактора .                                 (2.12)

Выбираем реактор –  аппарат с рубашкой объемом V=25 м³ и диаметром аппарата D=2800 мм с высотой уровня жидкости Н_ж=3,28 м (при коэффициенте заполнения аппарата ), площадь поверхности теплообмена рубашки F_р=38 м² [1, табл. 5.1, стр. 421] с двухлопастной мешалкой.

Выполним уточненный тепловой расчет аппарата.

2.1.1   Тепловой расчет аппарата [1, 2]

     Примем время подготовки реактора к новому циклу . Для заполнения реактора реакционной массой используем насос производительностью . Тогда

.                                               (2.13)                

Время опорожнения реактора рассчитаем, из условия слива жидкости через нижний штуцер:

.                                                  (2.14)

Для расчета  дополнительно к исходным данным принимаем температуру реакционной массы до нагревания и после охлаждения , теплоемкость материала реактора (стали) .

Масса реактора приближенно

,                                               (2.15)

где Р – избыточное давление в реакторе.

Определяем количество теплоты:

- затраченной на нагревание  реакционной массы и реактора

.

                                                                                                        (2.16)

Средняя разность температур при нагревании реактора горячей  водой (водяным паром) равна

.                              (2.17)

Так как при нагревании реакционной массы используется горячая вода (конденсирующийся пар), можно принять коэффициент теплопередачи  равным коэффициенту теплоотдачи перемешиваемой среды. Для его расчета определим:

-центробежный критерий  Рейнольдса

,                                     (2.18)

- критерий Прандтля

;                                                  (2.19)

- критерий Нуссельта для  двухлопастной мешалки

                                                                     _(2.20)           

,                (2.21)      

где параметры  взяты по [1, табл. 5.2, стр. 426].

Находим коэффициент теплоотдачи  от перемешиваемой среды к стенке сосуда:

.                                       (2.22)

Приняв среднюю температуру  воды

,                                                        (2.23)    

который соответствует [1, стр. 427] , находим разность температур и произведение

.                             (2.24)         

Используя это значение, рассчитаем

                                         _(2.25)                                  

(коэффициенты  - по [1,стр. 426])

и коэффициент теплоотдачи  от стенки сосуда к воде во время  охлаждения

,                                          (2.26)

где теплопроводность воды ; высота рубашки .

Приняв термическое сопротивление  загрязнений со стороны перемешиваемой среды  и со стороны воды [1, табл. 3.1], определим коэффициент теплопередачи во время охлаждения:

.

                                                                                             (2.27)    

        Определим длительность:

- периода нагревания реактора:

,                                      (2.28)                   

где F – площадь поверхности теплообмена рубашки, м²;

- одного цикла реактора:

       _(2.29)        

Уточненное   время  12677 с  отличается  от ранее рассчитанного 12986 с менее чем на 3 %. В этом случае нет необходимости в повторном уточненном расчете.

Таким образом, окончательно выбираем 1 аппарат с мешалкой, номинальным  объемом V=25 м³ и диаметром D=2800 мм с высотой уровня жидкости Н_ж=3,28 м, с площадью поверхности теплообмена рубашки 38 м², с двухлопастной мешалкой.

2.1.2   Определение толщины тепловой изоляции рубашки аппарата [3]

Толщину тепловой изоляции находят из равенства удельных тепловых потоков через слой изоляции в окружающую среду

,                                                                  (2.30)

где - коэффициент теплоотдачи от внешней поверхности изоляционного материала в окружающую среду, Вт/(м²·К);

                                                                    _(2.31)  

- температура изоляции со  стороны окружающей среды (воздуха); для аппаратов, работающих в  закрытом помещении, выбирается  в интервале 30÷45 ºС. Выбираем t_ст.2=30 ºС; t_ст.1- температура изоляции со стороны аппарата, t_ст.1=80 ºС; t_в=20 ºС- температура окружающей среды (воздуха), ºС;

- коэффициент теплопроводности  изоляционного материала, Вт/(м²·К).

Выберем в качестве материала  для тепловой изоляции совелит (85 % магнезии + 15 % асбеста), имеющих коэффициент теплопроводности .

                                          _(2.32)

Рассчитываем толщину  тепловой изоляции:

                                                   _(2.33)

Принимаем толщину тепловой изоляции рубашки аппарата 0,042 м.

 

2.2  Расчет привода мешалки [1,4]

Потребляемая мощность мешалки (мощность электродвигателя) рассчитывается по формуле:

,                                                                      (2.34)

где - коэффициент заполнения сосуда жидкостью;

- высота слоя жидкости, м;

- диаметр аппарата, м;

- коэффициент, учитывающий превышение  мощности при пуске двигателя  (для  быстроходных мешалок  );

- коэффициент увеличения гидравлического  сопротивления при динамической  вязкости среды  (для однолопастных ; для многолопастных, якорных, рамных ; для турбинных ). В нашем случае , поэтому принимаем .

- номинальная мощность, потребляемая  мешалкой (мощность перемешивания), Вт;

- потери мощности на трение  в уплотнении вала мешалки,  Вт;

- к.п.д. привода мешалки.

Номинальная мощность мешалки  :

                                                              _(2.35)

где - динамическая вязкость среды, Па·с;

- частота вращения вала, мин^-1.

где - диаметр окружности, описываемой лопастью мешалки, м;

- критерий мощности:

,                                                       (2.36)

где - центробежный критерий Рейнольдса:

,                                                    (2.37)

где - плотность жидкой среды, кг/м³;

- коэффициенты (табл. 3.3);

- геометрический размер (расстояние  от лопасти до днища реактора), м.

Потери мощности в уплотнениях  вала , Вт:

,                                                    (2.38)

где - расчетное давление в аппарате, Па;

- коэффициент трения набивки  уплотнения;

- длина набивки, м;

- диаметр вала.

Тогда

Потери мощности на трение в уплотнении вала мешалки:

Критерий мощности:

Номинальная мощность, потребляемая мешалкой:

Потребляемая мощность мешалки (мощность электродвигателя):

По табл. 5.4 [1, стр. 439] выбираем мотор редуктор типа МР-2 с параметрами  N=22 кВт, n_вых=20 об/мин.

Обозначение выбранного по расчетам мотор-редуктора:

Мотор-редуктор МР2-315У-29,6 14-32-Ф1В  ТУ2-056-195-80, 380 В, N=22 кВт

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3 Механический  расчет  

Исходные расчетные параметры	Корпус аппарата	Рубашка аппарата
1. Базовый диаметр –  внутренний (D), мм	2800	3000
2. Высота обечайки (h), мм	3000
3. Рабочее давление (рраб), МПа	0,6	0,6
4. Давление пробное (рп), МПа	0,82	0,82
4. Температура стенки  расчетная (t), °С	80	151
5. Конструкционный материал	12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72	12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72
6. Допускаемое напряжение  при температуре стенки ([σ]), МПа	152	152
7. Модуль упругости (Е), МПа	2·105	2·105
8. Коэффициент прочности  сварного шва	0,9	0,9
9. Прибавка к толщине  стенки (С), мм	2	2