?ВХ = Nu * ?ВХ /D

где D - диаметр рубашки, м.

?ВХ = 1355,77 * 0,138/3,2 = 584,6 Вт/м2 ? К

Определяем коэффициент теплопередачи

где r1 - тепловое сопротивление загрязнений со стороны реакционной массы, Вт/м2 ? К;

? - толщина стенки корпуса, м;

? - коэффициент теплопроводности стенки реактора, Вт/м ? К;

r2 - тепловое сопротивление загрязнений со стороны охлаждающего ВХ,

Вт/м2 ? К.

= 237,65 Вт/м2 ? К

Тепловую нагрузку реактора берем из теплового баланса.

Определяем поверхность теплообмена

F = Q/K?tср

где Q - тепловая нагрузка на реактор, кДж/час;

К - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 * К;

tср - средняя разность температур между хладоагентом омывающим стенки аппарата и реакционной зоной, Со.

F = 3022808,14 * 1000/237,65 * 47,5 * 3600 = 74,3м2

Принимаем к установке действующие реактора на данном производстве т.е. 3 реактора с площадью теплообмена 40 м2 каждый.

4.2 Конструктивно-механический расчет основного аппарата

Расчёт мешалки

Для перемешивания реакционной смеси применяется турбинная открытая двухъярусная мешалка с различными диаметрами.

Расчет турбинной открытой мешалки

Dм = 900 мм

h = 0,2 Dм = 180 мм

l = 0,25 Dм = 225 мм

Dд = 0,75 Dм = 675 мм

Принимаем окружную скорость мешалки ? = 4 м/с

Частота вращения мешалки определяется по формуле

n = ?/? * DМ

n = 4/3,14 * 0,9 = 1,14 сек-1

Принимаем частоту вращения мешалки

n = 2 сек-1 = 120 об/мин

Центробежный критерий Рейнольдса определяем по формуле

ReЦ = ?С * n * Dм2/ µС

где ?С - плотность смеси, кг/м3;

n - частота вращения мешалки, с-1;

Dм - диаметр мешалки, м;

µС - вязкость перемешиваемой смеси, Па*с.

Критерий мощности KN зависит от критерия ReМ. При данном ReМ, критерии KN = 3. Определяем мощность, требуемую на перемешивание реакционной смеси

N = KN * ?С * n3 * Dм5

N = 3 * 1424 *23 * 0,95 = 20,2 кВт

К установке принимаем мешалку по МН 5874-66 [43]

Dм = 900 мм,

? = 6,4 м/с

n=2,25 с-1

N = 37,8 кВт

Расчет турбинной открытой мешалки

Dм = 1000 мм

h = 0,2 Dм = 200 мм

l = 0,25 Dм = 250 мм

Dд = 0,75 Dм = 750 мм

Принимаем окружную скорость мешалки ? = 4 м/с

Частота вращения мешалки определяется по формуле

n = ?/? * DМ

n = 4/3,14 * 1 = 1,27 сек-1

Принимаем частоту вращения мешалки

n = 2 сек-1 = 120 об/мин

Центробежный критерий Рейнольдса определяем по формуле

ReЦ = ?С * n * Dм2/ µС

где ?С - плотность смеси, кг/м3;

n - частота вращения мешалки, с-1;

Dм - диаметр мешалки, м;

µС - вязкость перемешиваемой смеси, Па*с.

ReЦ = 1424 * 2 * 12/1,01 * 10-3 = 2,8 * 106

Критерий мощности KN зависит от критерия ReМ. При данном ReМ, критерии KN = 3. Определяем мощность, требуемую на перемешивание реакционной смеси

N = KN * ?С * n3 * Dм5

N = 3 * 1424 *23 * 15 = 34,1 кВт

К установке принимаем мешалку по МН 5874-66

Dм = 1000 мм,

? = 7,1 м/с

n=2,25 с-1

N = 63,0 кВт

Т.к. мешалка двухъярусная, то по МН 5874-66 принимаем мощность N = 93,8 кВт.

4.3 Тепловой баланс реактора

Исходные данные:

В реактор поступает винилхлорид и хлор с температурой:

1. ВХ -35 °С

2. С12 -35 °С

Тепловой эффект реакции - 50 ккал / моль

Температура реакции - 30 оС

QПрих = QРасх.

QВХ + QХлор + QЭФ = QТХЭсырец + QАбгазов + QТепл.нагр.+ QПотерь

Определяем количество тепла, поступающего с хлором

QХлор = GХлор * t * СХлор

где GХлор - количество поступающего хлора, кг/ч;

t - температура поступающего хлора, оС;

СХлор - теплоемкость хлора, ккал/кг * оС.

QХлор = 1082,85 * 40 * 0,116 * 4,19 = 21052,33 кДж/час

Определяем количество тепла, поступающего с винилхлоридом

QВХ = GВХ * t * СВХ

где GВХ - количество поступающего винилхлорида, кг/ч;

t - температура поступающего винилхлорида, оС;

СВХ - средняя теплоемкость винилхлорида, ккал/кг * оС.

QВХ = 1033,07 * 35 * 0,210 * 4,19 = 31814,94 кДж/час

Определяем количество теплоты, выделяющейся в результате химической реакции

QЭФ = 1957,36 * 1000 * 50 * 4,19/133,5 = 3071662,32 кДж/час

Определяем общее количество QПрих

QПрих = 21052,33 + 31814,94 + 3071662,32 = 3124529,59 кДж/час

Определяем количество тепла уносимого с ТХЭ - сырцом

QТХЭсырец = GТХЭсырец * t * СТХЭсырец

где GТХЭсырца - количество выходящего ТХЭ-сырца, кг/ч;

t - температура выходящего ТХЭ-сырца, оС;

СТХЭсырец - теплоемкость ТХЭ-сырца, ккал/кг * оС.

QТХЭсырец = 2082,29 * 30 * 0,266 * 4,19 = 69623,86 кДж/час

Определяем количество тепла уходящее с абгазами

QАбгазов = GАбгазов * t * САбгазов

где GАбгазов - количество уходящих абгазов, кг/ч;

t - температура уходящих абгазов, оС;

САбгазов - средняя теплоемкость абгазов, ккал/кг * оС.

QАбгазов = 30,27 * 30 * 0,224 * 4,19 = 852,3 кДж/час

Определяем количество теряемого тепла в окружающую среду. Примем количество теряемого тепла в окружающую среду равное 1% от общего количества прихода

QПотерь = 3124529,59 * 0,01 = 31245,29 кДж

Из уравнения теплового баланса определяем тепловую нагрузку реактора

QТепл.нагр = 3124529,59 - 69623,86 - 852,3 - 31245,29 = 3022808,14 кДж

Таблица 4.1 - Тепловой баланс реактора

4.4 Расчет и подбор оборудования вспомогательной стадии

Расчет вспомогательного оборудования

Расчет насоса

Насос поз. 141,2 предназначен для подачи трихлорэтана в реактор омыления

Расход ТХЭ = 5 м3/час = 0,00138 м3/сек.

Геометрическая высота подъема - 9 м.

Длина трубопровода на линии нагнетания - 19 м.

Длина трубопровода на линии всасывания - 11 м.

На линии нагнетания имеются 6 отводов под углом 90о с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы и 2 нормальных вентиля. На всасывающем участке трубопровода установлено 2 прямоточных вентиля, 4 отвода отводов под углом 90о с радиусом поворота, равным 6 диаметрам трубы.

а) Выбор трубопровода

Для всасывающего и нагнетательного трубопровода примем одинаковую скорость течения трихлорэтана - 2 м/с. Тогда диаметр трубопровода равен

d =

где Q - расход ТХЭ, м3/с;

? - скорость течения ТХЭ в трубе, м/с.

d = = 0,03 м

б) Определение потерь на трение и местные сопротивления.

Находим критерий Рейнольдса

Re = ? *d*p/µ

где p - плотность ТХЭ, кг/м3;

µ - вязкость ТХЭ, Па ? с.

Re = 2 * 0,03 * 1424/1,01*10 -3 = 84594,06

Режим движения турбулентный.

Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем ? = 0,002 мм, тогда относительна шероховатость трубы

е =?/d = 0,002/0,03 = 0,066

Далее получим

1/е = 15,15

560 * 1/е = 8484

10 * 1/е = 151,5

Re > 560 * 1/е

Таким образом, в трубопроводе имеет место, зона автомодельная по отношению к Rе и расчет коэффициента трения ? следует проводить по следующей формуле

? = 0,11е0,25

? = 0,11 * 0,0660,25 = 0,0557

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений отдельно для всасывающей и нагнетательной линии.

Для всасывающей линии

1) Вход в трубу ?1 = 0,5

2) Прямоточные вентили для:

d = 0,025 м ? = 1,04

d = 0,038 м ? = 0,85

d = 0,03 м ? = 0,96

Умножим на поправочный коэффициент: ? = 0,902, получим ?2 = 0,866

3) Отводы: коэффициент А = 1, коэффициент В = 0,09, ?3 = 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии

?? = ?1 + 2?2 + 6?3

?? = 0,5 + 2*0,866 + 6* 0,09 = 2,772

Находим потерянный напор во всасывающей линии

hп.вс = (?*l/d + ??)* ?2/2g

hп.вс = (0,0557 * 11/0,03 + 2,772) 22/2*9,81 = 4,73 м

Для нагнетательной линии

1) Вход в трубу ?1 = 1

2) Нормальные вентили для:

d = 0,02 м ? = 8

d = 0,04 м ? = 4,9

d = 0,03 м ? = 6,45

3) Отводы: коэффициент А = 1, коэффициент В = 0,09, ?3 = 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии

?? = ?1 + 2?2 + 4?3

?? = 1 + 2 * 6,45 + 6 * 0,09 = 14,44

Находим потерянный напор во всасывающей линии

hп.наг = (?*l/d + ??)* ?2/2g

hп.наг = (0,0557 * 19/0,03 + 14,44) 22/2*9,81=10,13 м

Общие потери напора

hп = hп..наг + hп.вс

hп = 10,13 + 4,73 = 14,86 м

Выбор насоса

Находим напор насоса по формуле:

Н = (р1 - р2)/рg + Нг + hп

где р1 - давление в аппарате, из которого перекачивается ТХЭ, МПа;

р2 - давление в аппарате, в который подается ТХЭ, МПа;

Нг - геометрическая высота подъема ТХЭ, м.

Н= 0,05 * 106/1424 * 9,81 + 9 + 14,86 = 27,4 м. вод. ст.

Подобный напор при заданной производительности обеспечивается центробежным насосом. Определяем полезную мощность

Nп= p*q*Q*H

Nп =1424*9,81*0,00138*27,4 = 530 Вт = 0,53 кВт

Принимаем ?пер = 1, ?н = 0,5 и находим мощность на валу двигателя

N = Nп /(?пер * ?н)

где ?пер и ?н - коэффициенты полезного действия насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

N = 0,53/(1*0,5) = 1,06 кВт

Заданной подаче и напору более всего соответствует центробежный насос марки Х8/30, для которого в оптимальных условиях работы

Q = 2,4*10-3 м/c, Н = 30 м. вод. ст., ?н = 0,5. Насос обеспечен электродвигателем ВАО-32-2 номинальной мощность Nн = 4,0 кВт, ?дв = 0,83, частота вращения вала n = 48,3с-1. [44]

Расчет дегидратора поз. 61,2

Аппарат предназначен для осушки винилхлорида хлористым кальцием. Замена хлористого кальция происходит через 10 дней работы.

Насыпная плотность рСаСl = 400 кг/см2.

По данным материального баланса в винилхлориде содержится и поступает в дегидратор 0,45 кг/час воды, при сушке этого количества расходуется 0,69 кг/час СаСl2.

Расход СаС12 на 10 дней составит

0,69 *10 * 24 = 165,6 кг

Учитывая 90% содержание СаСl2 в исходном продукте, его расход составит:

165,5/0,9 = 183,88 кг

В процессе работы СаСl2 используется на 48%

194,82/0,48 = 399,74 кг/час

Объем дегидратора с учетом у = 0,8, составит:

V = Q / р * у = 170,6 / 400*0,8 = 0,533 м3

По ГОСТу 9931-69 принимаем вертикальный аппарат:

V = 0,8 м3

Д = 800 мм

Материал изготовления СтХ18Н10Т

Количество - 2 шт.

Расчет испарителя поз. 71,2

Испаритель предназначен для испарения винилхлорида перед подачей его в реактор синтеза трихлорэтана.

Температура ВХ на входе в испаритель - минус 10 оС

Температура ВХ на выходе из испарителя - 35 °С

Температура пара - 143 °С

Температура конденсата - 85 °С

Давление пара - 4 кгс/см2

Определяем количество тепла, необходимого для испарения винилхлорида

QВХ = GВХ * rВХ

где rВХ - теплота испарения ВХ, кДж/кг;

GВХ - количество поступающего ВХ в реактор, кг/ч.

Q = 1033,07 * 289,52 = 299094,42 кДж/ч

Определяем количество пара, необходимое для испарения винилхлорида

GП = QВХ / rП

где rП - теплота испарения пара, кДж.

GП = 299094,42/2132,71 = 140,24 кг

Среднеарифметическая разность температур составит - 100 оС

Определяем поверхность теплообмена

F= Q/K*?tcp

К=1/1?П + ?rст+ 1/?ВХ

Определяем коэффициент теплоотдачи для испаренного винилхлорида

?ВХ = 3,78?

где ? - коэффициент теплопроводности ВХ, Вт/м*К;

p - плотность ВХ, кг/м3;

n - число труб, шт.;

µ - вязкость ВХ, Па*с;

Для определения n 25*2 принимаем Re = 15000 и находим

n =GВХ /0,785 * Re*d* µ

n = 1033,07 /(0,785* 15000*0,025*0,256*10-3) = 342 шт.

Принимаем одноходовой кожухотрубный испаритель с числом труб 362 шт.

Определяем коэффициент теплоотдачи для конденсирующего пара

?П = 2,02е?

где е - коэффициент, зависящий от числа труб.

?ВХ=3,78*0,138=1642,5 Вт/м2*К

?П = 2,02*0,52* 0,686 = 1720,4 Вт/м2*К

Определяем коэффициент теплопередачи

Определяем поверхность теплообмена

F = Q/K?tср

F = 299094,42/326,78*100 = 9,17 м2

Подбор вспомогательного оборудования

В соответствии с ГОСТ 15181-79 подбираем кожухотрубчатый теплообменник

Конденсатор поз. 03

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 2 м

F=73м2

Конденсатор поз. 05

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 3 м

F=109 м2

Конденсатор поз. 91-3

Д кожуха = 800 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов - 1

Общее число труб - 465 шт.

L труб = 3 м

F=109 м2

Теплообменник поз. 22

Д кожуха = 400 мм

d труб = (25*2) мм

число ходов -2

Общее число труб -100 шт.

L труб = 2 м

F=16м2

В соответствии с ГОСТ 13372-78 подбираем емкостное оборудование[45]

В соответствии с ГОСТ 22247 - 76Е подбираем насосное оборудование

Насос поз. 11

Марка Х8/30

Q = 2,4*10-3 м/c

Н = 30 м. вод. ст.

n = 48,3 с-1

?н = 0,5

Электродвигатель ВАО-32-2

Nн = 4,0 кВт

?дв = 0,83

Насос поз. 151-3, 211,2, 24, 261,2.

Марка Х20/31

Q = 5,5 *10-3 м/c

Н = 31 м. вод. ст.

n = 48,3 с-1

?н = 0,55

Электродвигатель ВАО-41-2

Nн = 5,5 кВт

?дв = 0,84

Выводы

В данной курсовой работе предлагается использовать в качестве дополнительного источника исходного сырья, винилхлорид - абгазный. Применение дополнительного источника сырья в виде винилхлорида абгазного позволит увеличить мощность по производству 1,1,2-трихлорэтана. Одновременно с увеличением мощности по производству 1,1,2-трихлорэтана, происходит и улучшение экологической обстановки на промышленной площадке ОАО «Каустик». Это связано с утилизацией винилхлорида абгазного, который до этого утилизировался методом сжигания на факельной установке и продукты горения выбрасывались в атмосферу.

В разделе «Технологическая часть» был произведен расчет материального баланса стадии синтеза и стадии отмывки 1,1,2-трихлорэтана, рассчитан реактор синтез трихлорэтана, рассчитано и подобрано вспомогательное оборудование.

Список использованных литературных источников

1. Справочник «Промышленные хлорорганические продукты». Под ред. Ошина Л.А. М:, Химия. 1978 г.

2. Патент РФ. №207887. Опубликован: 01.01.1968 г.

3. Патент РФ. №222350. Опубликован: 01.01.1970 г.

4. Патент РФ. №277760. Опубликован: 01.01.1970 г.

5. Патент РФ. №404219. Опубликован: 01.01.1973 г.

6. Патент РФ. №742421. Заявлен 13.10.1978 г. Опубликован: 25.06.1980 г.

7. Постоянный технологический регламент №4-18/2007 по производству винилиденхлорида-сырца.

8. Патент РФ. №910573. Заявлен 22.05.1980 г. Опубликован: 07.03.1982 г.

9. Патент РФ. №1785523. Заявлен 07.12.1990 г. Опубликован: 30.12.1992 г.

10. Патент РФ. №2057107. Заявлен 25.03.1992 г. Опубликован: 27.03.1996 г.

11. Журнал органической химии, 1968 г., 4, №12,2078-2086

12. Патент ФРГ 976461 (1963 г.); РЖХим, 1964 г., 22н8.

13. Патент США. 3173963 (1963 г.); РЖХим, 1966 г., 15н21.

14. Патент Франция, №2057605. Заявлен 29.08.1969 г. Опубликован 21.05.1971 г.

15. Патент ФРГ. №1943615. Заявлен 27.08.1969 г. Опубликован 05.08.1971 г.

16. Патент США. №3173963. Заявлен 29.08.1960 г. Опубликован 16.03.1963 г.

17. Патент РФ. №1832672. Заявлен 23.11.1988 г. Опубликован 27.07.1996 г.

18. РЖХим. 15н21п, 1964 г.

19. Патент Англии. №10565226. Заявлен 31.03.1964 г. Опубликован 25.01.1961 г.

20. Патент Англии. №057681. Заявлен 31.03.1964 г. Опубликован 08.02.1967 г.

21. Патент Франции. №1470943. Заявлен 10.03.1966 г. Опубликован 16.01.1967 г.

22. Семёнов П.И., Поляков К.К. «Зарубежные полимеры и компоненты». М.: А.Н.СССР.1963 г.

23. Патент РФ. №1061419. Заявлен 30.07.1979 г. Опубликован 27.12.1999 г.

24. Патент РФ. №2152254. Заявлен 29.09.1997 г. Опубликован 10.07.2000 г.

25. Патент РФ. №2008132523. Заявлен 06.08.2008 г. Опубликован 20.02.2010 г.

26. Патент РФ. №2153394. Заявлен 05.02.1999 г. Опубликован 27.07.2000 г.

27. Патент РФ. №2367511. Заявлен 26.06.2007. Опубликован 10.01.2009 г.

28. Патент РФ. №2004131405. Заявлен 27.10.2004 г. Опубликован 10.04.2006 г.

29. Патент РФ. №2303483. Заявлен 27.10.2004 г. Опубликован 27.07.2007 г.

30. Патент РФ. №2002116667. Заявлен 16.11.2000 г. Опубликован 27.12.2003 г.

31. Патент РФ. №2348450. Заявлен 21.03.2007 г. Опубликован 27.09.2009.г.

32. Патент РФ. №2153497. Заявлен 27.08.1998 г. Опубликован 27.07.2000 г.

33. Патент РФ. №2006123886. Заявлен 03.07.2006 г. Опубликован 10.01.2008 г.

34. Отчет ОИ и РП ПВХ ОАО «Пласткард» по получению винилиденхлорида из абгазного винилхлорида. 07.10.2009 г.

35. Патент РФ. №2288909. Заявлен 05.07.2005 г. Опубликован 10.12.2006 г.

36. «Ind. End. Сhem». 31,1530, (1939 г.).

37. «Ind. End. Chem». 31,1431, (1939 г.).

38. Stewart T.D., Weidenbaum B.J., Am. Chem. Soc. 57.2036 (1935 г.).

39 Семёнов H.H. «О некоторых проблемах химической кинетики и реакционной кинетики» Изд. 2-е, - М.: А.Н.СССР, 1958.

40. Sherman AJ. Chem. Phys., 4,732, (1934 г.).

41. Лебедев Н.Н. «Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза». - М.: Химия, 1988 г.

42. Судаков Е.Н. «Расчёты основных процессов и аппаратов нефтепереработки». - М.: Химия, 1979 г.

43. Лащинский А.А., Толчинский А.Р. «Основы конструирования и расчетов химической аппаратуры». - Л.: Машиностроение, 1970.

44. Дытнерский Ю.И. «Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию». - М.: Химия, 1983.

45. Альперт В.А. «Основы проектирования химических установок». - М.: Высшая школа, 1989.

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7