Файл: Дипломный проект состоит из 186 страниц, 36 таблиц, 2 рисунка, 19 источников и 8 листов графического материала. Тема дипломного проекта Проект производства формалина.rtf
Добавлен: 25.10.2023
Просмотров: 289
Скачиваний: 5
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
г [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.
принимаем h1 = 0,8 м.
Н = 4 + 0,8 = 4,8 м.
18. ГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Целью расчета является определение величины гидравлического сопротивления.
Исходные данные:
внутренний диаметр обечайки – 3 м;
количество труб – 24,75 d = 38×2 мм;
длина – 5 м;
диаметр внутренний входного штуцера – 0,15 м;
диаметр внутренний выходного штуцера – 0,6 м;
количество перегородок в межтрубном пространстве – 3 (шт).
Расход воды – 8,7 кг/с при tср 106,5оС, ρ = 854 кг/м3
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
| DCH3OH, O2 0,0714 | DCH3OH 0,0688 | DCH3OH, H2O 0,0912 | 100oC | ||||||
| DO2, N2 0,0785 | DN2, H2O 0,103 | DO2, H2O 0,105 | |||||||
| DCH3OH → (O2, N2, H2O) = 0,0747 | |||||||||
| DCH3OH, CH2O 0,250 | DCO2, CO 0,387 | DCH2O, CO2 0,252 | DCO, N2 0,294 | DH2O, N2 0,389 | 650oC | ||||
| DCH3OH, CO 0,271 | DCO, H2 1,03 | DCH2O, N 0,293 | DCH3OH, CO2 0,230 | DH2O, CO2 0,344 | |||||
| DCH2O, H2 1,048 | DCH3OH, H2O 0,355 | DH2O, H2 1,26 | DCH3OH, N2 0,271 | DH2O, H2 1,02 | |||||
| DH2O, CO 0,356 | DCH3OH, H2 0,710 | DCO2, N2 0,255 | DCH2O, CO 0,292 | DH2, N2 1,04 | |||||
| DCH3OH → (CH2O, H2O, CO2, CO, H2, N2) = 0,166 | |||||||||
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
| Состав | ρ, кг/м2 | С, Дж/кг К | μ (м с)/м2 | √М Ткр |
| СН2О | 0,547 | | 514 10-7 | 111,47 |
| СН3ОН | 0,583 | | 226 10-7 | 89,33 |
| Н2О | 0,327 | | 232 10-7 | 108 |
| СО | 0,51 | | 309 10-7 | 61,4 |
| СО2 | 0,801 | | 299 10-7 | 115,5 |
| Н2 | 0,036 | | 154 10-7 | 8,13 |
| N2 | 0,51 | | 311 10-7 | 59,5 |
| смесь | 0,487 | 1,743 103 | 250 10-7 | - |
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
| С, Дж/кг К | Ρ кг/м3 | μ, Па с | λ, Вт/м К |
| 4,23 | 954 | 226,10-6 | 0,684 |
(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.
принимаем h1 = 0,8 м.
Н = 4 + 0,8 = 4,8 м.
18. ГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ
Целью расчета является определение величины гидравлического сопротивления.
Исходные данные:
внутренний диаметр обечайки – 3 м;
количество труб – 24,75 d = 38×2 мм;
длина – 5 м;
диаметр внутренний входного штуцера – 0,15 м;
диаметр внутренний выходного штуцера – 0,6 м;
количество перегородок в межтрубном пространстве – 3 (шт).
Расход воды – 8,7 кг/с при tср 106,5оС, ρ = 854 кг/м3