Расчетная часть - Технологический расчет контактного аппарата

По ориентировочным подсчетам, к 2000г. мировой выпуск формалина (37-й водный раствор формальдегтда) возрвстает до 5млн. т, что связано с использованием его в производстве пластических масс, изопреного каучука и других химических продуктов.

Среди методов получения формальдегида наибольшее промышленное значение приобрел процесс окислительного дегидрирования метанола на серебрянных и железомолибденовых оксидных катализаторах, протекающий по следующим осноаным реакциям:

CH3OH CH2O + H2, - H298 = -85.10 кДж/моль

CH3OH +0,5O2 CH2O + H2O, - H298 = 156.71 кДж/моль

На серебрянном катализаторе процесс осуществляют под давлением, близким к нормальному, при температуре 600-700С и объемной скорости 24000-26000 ч??. В таких условиях выход формальдегтда в расчете на превращенный метанол достигает 80-90

Материальный расчет:

Исходнве данные:

    1) производительность по формальдегиду, т/год: 50000 2) годовой фонд рабочего времени, ч : 8000 3) массовая доля формальдегтда ():
      - в продукционном формалине: 37 - в формалине-сырце: 30,0
    4) потери формалина на стадии ректификации () : 2,0 5) параметры подаваемого воздуха:
      - температура: 28С - давление: 0,20 МПа
    6) степень конверсии метанола () : 56 7) доля преврвщенного метанола, расходуемого:
      - по реакции 1: 0,25 - по реакции 2: 0,65 - по реакции 3: 0,08 - по реакции 4: 0,02
    8) состав технического метанола ():
      - метанол: 99,92 - вода: 0,08

Последовательность расчета:

    1. определяют общий расход метанола на процесс, колличество и состав контактного газа; 2. расчитывают расход воздуха на получение формальдегида, соделжание в нем водных паров; 3. составляют материальный баланс контактного аппарата, определяют состав формалина-сырца и выхлопных газов на выходе из абсорбционной колонны.

Часовая производительность агрегата:

По формалину: 50000*1000/8000 = 6250 кг/ч

По формальдегиду: 6250*37/100 = 2312,5 к/ч или 2312,5/30 = 77,083 кмоль/ч

С учетом потерь на стадии ректификации необходимо получить в контактном аппарате формальдегида:

77,083*1,02 = 78,6246 кмоль/ч или 2358,7398 кг/ч

Протекающие реакции:

    1. CH3OHCH2O + H2 2. CH3OH +0.5O2 CH2O + H2O 3. CH3OH + 1.5O2 CO2 + 2H2O 4. CH3OH CO + 2H2

Расход метанола по реакциям 1 и 2: 78,6246 кмоль/ч или 2358,7398 кг/ч

Расход метанола по реакциям 1-4:

78,6246/ (0,25+0,65) = 87,3606 кмоль/ч или 2795,5392 кг/ч

Где 0,25 и 0,65 - доля метанола, превращенного в формальдегид по реакциям 1-2.

Подают метанола с учетом степени конверсии:

87,3606/0,56=156,00107 кмоль/ч или 4992,0342 кг/ч

Колличество воды в техническом метаноле:

4992,0342*0,08/99,92=3,99682кг/ч или 0,22204 кмоль/ч

Остается метанола в контактном газе:

156,00107-87,3606=68,64047 кмоль/ч или 2196,495 кг/ч

По реакции 1 расходуется метанола:

87,3606*0,25=21,84015 кмоль/ч или 698,8848 кг/ч

Образуется:

Формальдегида: 21,84015 кмоль/ч или 655,2045 кг/ч

Водорода: 21,84015 кмоль/ч или 43,6803 кг/ч

По реакции 2 расходуется:

Метанола: 87,3606*0,65=56,784 кмоль/ч или 1817,1004 кг/ч

Кислорода: 56,784*0,5=28,392 кмоль/ч или 908,544 кг/ч

Образуется:

Формальдегида: 56,784 кмоль/ч или 1703,52 кг/ч

Водяного пара: 56,784 кмоль/ч или 1022,112 кг/ч

По реакции 3 расходуется:

Метанола: 87,3606*0,08=6,988848 кмоль/ч или 223,64313 кг/ч

Кислорода: 6,988848*1,5=10,483272 кмоль/ч или 335,4647 кг/ч

Образуется:

Диоксида углерода: 6,988848 кмоль/ч или 307,493 кг/ч

Водяного пара: 6,988848*2=13,977696 кмоль/ч или 251,59852 кг/ч

По реакции 4 расходуется:

Метанола: 87,3606*0,02=1,7472 кмоль/ч или 55,9107 кг/ч

Образуется:

Оксида углерода: 1,7472 кмоль/ч или 48,9216 кг/ч

Водяного пара: 1,7472*2=3,4944 кмоль/ч или 6,9888 кг/ч

Всего образуется:

Водорода: 21,84015+3,4944=25,33455 кмоль/ч или 50,6691 кг/ч

Водяного пара: 56,6691+13,977696=70,7616 кмоль/ч или 1273,7105 кг/ч

Общий расход кислорода:

28,392+10,483272=38,875272 кмоль/ч или 1244,0087 кг/ч

Молярное соотношение O2: CH3OH равно:

38,875272/156,00107=0,2492 кмоль/ч

Расход сухого воздуха:

38,875272/0,21=185,1203 кмоль/ч

Где 0,21 - объемная (молярная) доля кислорода в сухом воздухе.

Колличество азота в воздухе:

185,1203-38,875272=146,2450 кмоль/ч или 4094,86 кг/ч

Таблица 1: материальный баланс стадии контактирования:

Входит:

Кмоль/ч

Кг/ч

Выходит:

Кмоль/ч

Кг/ч

Спиртовоздушная смесь:

CH3OH

O2

N2

H2O
    156,00107 38,875272 146,2450 4,33986
    4992,0342 1244,0087 4094,86 78,11748

Контактный газ:

CH3OH

CH2O

CO

CO2

N2

H2

H2O
    68,64047 78,6246 1,7472 6,988848 146,2450 25,33455 75,10146
    2196,495 2358,7398 48,9216 307,493 4094,86 50,6691 1351,8263

Всего:

345,4612

10409,02

Всего:

402,6821

10409,0048

Объемная доля водяных паров в воздухе:

Pпарц.= 0,004352, т. к.

Т=28С

На 1С: (0,01258-0,00323)/25=0,000374

На 3С: 0,000374*3=0,001122

    0,00323+0,001122=0,004352 0,004352*106=4352 Па 4352*100/0,20*106=2,176

Где 4352-парциальное давление паров в воздухе при температуре 28С, Па; 0,20*106 - общее давление воздуха, Па

Колличество водяных паров в воздухе:

185,1203*2,176/(100,00-2,176)=4,11782 кмоль/ч или 74,1207 кг/ч

Суммарное колличество водяных паров:

В спиртовоздушной смеси: 0,22204+4,1172=4,33986 кмоль/ч или 78,11748 кг/ч

В контактном газе: 4,33986+70,7616=75,10146 кмоль/ч или 1351,8263 кг/ч

Объяемная (молярная) доля метанола в спиртовоздушной смеси сотавляет 45,15 ,соответствует оптимальному технологическому режиму 4, с. 474

В выхлопные газы абсорбционной колонны переходят полностью оксид и диоксид углерода, азот, водород, суммарное колличество которых составляет 180,3156 кмоль/ч.

Объемная доля водяных паров в выхлопных газах:

1740*100/0,14*106= 1,24

Где 1740-парциальное давление водяных паров при температуре 15С, Па; 0,14*106 - общее давление выхлопных газов

Колличество водяных паров в выхлопных газах:

180,3156*1,24/(100,00-1,24)=2,264 кмоль/ч или 40,752 кг/ч

Колличество формалина-сырца:

2358,7398/0,30=7862,466 кг/ч

Где 0,30 - массовая доля формальдегида в формалине-сырце

Колличество воды в формалине-сырце:

7862,466-2358,7398-2196,495=3307,2312 кг/ч или 183,7351 кмоль/ч

Следовательно, на орошение абсорбционной колонны необходимо подать воды: 3307,2312+40,752-1351,8263=1996,1569 кг/ч

Состав формалина-сырца и выхлопных газов на выходе из абсорбционной колонны:

N, кмоль/ч

Xi,

M, кг/ч

I,

Формалин-сырец:

CH3OH

CH2O

H2O
    68,64047 78,6246 183,7351
    20,74 23,75 55,51
    2196,495 2358,7398 3307,2312
    27,94 30 42,06

Сумма:

333,00017

100,00

7862,466

100,00

Выхлопные газы:

CO

CO2

N2

H2

H2O
    1,7472 6,988848 146,2450 25,33455 2,264
    0,96 3,83 80,09 13,88 1,24
    48,9216 307,493 4094,86 50,6691 40,752
    1,08 6,77 90,14 1,1 0,91

Сумма:

182,580

100,00

4542,6957

100,00

Полученный состав выхлопных газов соотвтетствует оптимальному технологическому режиму.

Степень конверсии метанола в формальдегиде принята 90. Для проверки правильности выполненного расчета определяют степень конверсии метанола по формуле:

= 100-100 CO2 + CO/ 0,528 N2 + H2 - CO - 2CO2

= 100-100 3,83+0,96 / 0,528*80,09+13,88-0,96-2*3,83= 89,9

Что практически совпадает с принятой.

Расчет основных расходных коэффициентов. Расходные коэффициенты:

По метанолу: 87,3606*32/6250*0,9992=0,4476 кг/кг

Где 87,3606 - расход метанола по реакциям 1-4, кмоль/ч; 6250 - часовая производительность агрегата по формалину, кг; 0,9992 - массовая доля метанола в техническом метаноле;

По воздуху: (10409,0048-4992,0342)/6250=0,8668 кг/кг или 866,8/1,29=672 м3/т,

Где 1,29 - плотность воздуха в нормальных условиях, кг/м3

По воде: 1996,1569/6250=0,320 кг/кг

Где 1996,1569 - расход воды на орошение, кг/ч

Технологический расчет основного оборудования

Технологический расчет реактора ( контактного аппарата)

Назначение, устройство и основные размеры. Определение числа реакторов

Реактор (контактный аппарат) предназначен для окислительного деилрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребрянном катализаторе. Для расчета выбран вертикальный стальной цилиндрический аппарат, смонтированный непосредственно над верхней трубной решеткой подконтактного холодильника. В нижней части аппарата на свободно лежащую рештку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. Над слоем катализатора предусмотрено распределительное устройство, имеющее 24 щели размером 200 * 50 мм для равномерного распределения потока спиртовоздушной смеси.

Разогрев катализатора производят тремя нихромовыми электроспиралями (d = 0,4 мм, U = 220 В).

Техническая характеристика контактного аппарата:

Производительность, кг/ч :

По формальдегиду

По спиртовоздушной смеси

Диаметр внутренний, мм

Высота (без подконтактного холодильника), мм

Объем катализатора, м3
    2800 13500 2000 2150 0,4

Аппарат снабжен штуцером входа спиртовоздушной смеси Dy = 500, ру = 1, двумя взрывными мембранами Dy = 600, ру = 1, люком-лазом Dy = 500, ру = 0,4.

По данным таблицы 1, на стадии контактирования образуется 2358,7398 кг/ч формальдгида, расход спиртовоздушной смеси составляет 10409,02 кг/ч.

Необходимое число реакторов:

N = 2358,7398/2800=0,8424 кг/ч или n = 10409,02/13500=0,7710 кг/ч

Таким образом, нужно установить один реактор (контактный аппарат).

Тепловой расчет:

Исходные данные:

Расход спиртовоздушной смеси 345,4612/3600=0,096 кмоль/с;

Количество контактного газа 402,6821/3600=0,112 кмоль/с;

Температура на входе в аппарат 100-120С; на выходе из аппарата 680С.

Цель расчета - уточнение температуры спиртовоздушной смеси на входе в контактный аппарат.

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Ф1+Ф2=Ф3+ФПОТ.

Где Ф1, Ф3 - тепловые потери спиртовоздушной смеси и контактного газа соответственно, кВт; Ф2 - теплота выднляющаяся за счетхимических реакций, кВт; ФПОТ. - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Для определения значений Ф1, Ф3 расчитывают средние молярные теплоемкости спиртовоздушной смеси при

Tср. = (100+120)/2=110С (T1=110+273=383 К)

И контактного аппарата при

Т3=680+273=953 К :

Xi,

Ci, Дж/(моль*К)

Ci* Xi/100, Дж/(моль*К)

Спиртовоздушная смесь:

CH3OH

O2

N2

H2O
    45,16 11,25 42,33 1,26
    51,02 30,19 29,52 34,32
    23,04 3,40 12,5 0,43

Всего:

100,00

-

39,37

Контактный газ:

CH3OH

CH2O

CO

CO2

N2

H2

H2O
    17,04 19,5 0,43 1,73 36,6 6,3 18,4
    87,35 60,28 32,27 51,82 31,95 30,45 40,25
    14,9 11,75 0,14 0,9 11,7 2 7,406

Всего:

100,00

-

48,796

156,00107/345,4612 *100=45,16

Тепловой поток спиртовоздушной смеси:

Ф1=0,096*39,37tх=3,77952tx, кВт.

Определяют теплоты реакций 1-4 (в кДж/моль):

Реакция:

H298= H298 (кон) - H298(исх)

CH3OH(г)CH2O + H2

-115,90-(-201,00)=85,1

CH3OH(г)+0.5O2 CH2O+H2O(г)

-115,90+(-241,81)-(201,00)= - 156,71

CH3OH(г)+1.5O2 CO2 + 2 H2O(г)

-393,51+2(-241,81)-(-201,00)= -673,13

CH3OH(г) CO + 2H2

-110,53-(-201,00)=90,47

Рассчитывают теплоту Ф2, выделяющуюся за счет химических реакций:

Ф2=1000(21,84015(-85,1)+56,784*156,71+6,988848*673,13+1,7472(-90,47))/3600=3221,255 кВт.

Тепловой поток контактного газа:

Ф3=0,112*48,796*680=3716,303 кВт.

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 3 от общего прихода (расхода) теплоты:

Фпот.= 3716,303*3/(100-3)=114,94 кВт

Общий расход теплоты:

Фрасх=Ф3+Фпот=3716,303+114,94=3831,243 кВт.

Температуру спиртовоздушной смеси находят из уравнения теплового баланса:

    3,77952 tх+3221,255=3831,243 3,77952 tх=3831,243-3224,255 3,77952 tх=609,988

Tх=160,6С

Что соответствует принятому интервалу температур.

Составляют тепловой баланс контактного аппарата.

Минимальная температура спиртовоздушной смеси на входе в контактный аппарат должна быть на 20-25С выше температуры кипения метанола в спиртоиспарителе. Температура кипения метанола при нормальном давлении равна 64,7С; при 0,2 МПа - 84С; при 0,5 МПа -112С

Из данных теплового баланса контактного аппарата видно, что приход теплоты в аппарат определяется теплотой, выделяющейся за счет химических реакций (89,9). Отсюда следует, что температура подогрева спиртовздушной смеси зависит от морярного соотношения кислорода и метанола на взоде в систему. Если в результате теплового расчета будет получено значение температуры ниже минимально допустимого, то необходимо уменьшить молярное соотношение кислорода и метанола, что повлечет за собой умньшение доли метанола, расходуемого по электрическим реакциям окисления ( реакции 2 и 3 ), и повышение температуры подогрева спиртовоздушной смеси.

Расчет реактора (контактного аппарата):

Объемный расход спиртовоздушной смеси:

Vвх=345,4612*22,4=7738,33 м3/ч

При объемной скорости Vоб=25000 ч-1 необходимый объем катализатора равен:

Vк =Vвх/Vоб=7738,33/25000=0,31 м3

Тепловой баланс контактного аппарата:

Приход

КВт

Расход

КВт

Тепловой поток спиртовоздушно смеси

Теплота, выделяющаяся за счет химических реакций
    609,988 3221,255
    16 84

Тепловой поток контактного газа

Теплопотери в окружающую среду
    37,16 114,94
    97 3

Всего:

3831,243

100,00

Всего:

3831,243

100,00

В принятом стандартном аппарате объем катализатора Vк=0.4 м3, следовательно, запас производительности по катализатору составляет:

(0,400-0,31) * 100/0,31=29,03

Высота слоя катализатора в аппарате:

Hк=Vк/S=0,4/(0,758*2,02)=0,127 м

Объемный расход контактного газа при температуре Т=680+273=953 К и давлении р=0,22 МПа:

Vвых=(402,6821*22,4/3600)*(953*101325/273*0,22*106)=4 м3/с

Линейная скорость газа в сечении контактного аппарата:

=Vвых/S=4/(0,785*2,02)=1,273 м/с

Что соответствует оптимальному технологическому режиму.

Технологический расчет спиртоиспарителя

Назначение, устройство и основные размеры.

Определение числа аппаратов

Спиртоиспаритель предназначен для испарения жидкого метанола и получения спиртовоздушной смеси. Для расчета выбран вертикальный стальной цилиндрический аппарат с циркуляционноц трубой и выносной греющей камерой, выполненной в виде кожухотрубчатого теплообменника.

Греющая камера представляет собой пучок труб, верхние и нижние концы которых завальцованы в трубные решетки, приваренные к обечайке. Греющая камера соединяется с циркуляционной трубой переходной (вверху) и нижней камерами. Переходная камера тангенциально соеденина с сепаратором - цилиндрическим сосудом с коническим днищем, сообщающимся с нижней камерой циркуляционной трубой. В верхней части сепаратора расположен секционный объмно-сетчатый брызгоотделитель.

Длина общая, мм

5460

Ширина, мм

2720

Высота, мм

12420

Число труб греющей камеры, (dтр=573,5 мм)

227

Длина трубы, мм

4000

Площадь поверхности теплообмена, м2

162

Циркуляция раствора в аппарате осуществляется по замкнутому контуру: сепаратор - циркуляционная труба - нижняя камера - греющая камера - переходная камера - сепаратор. Метанол, поднимаясь по трубам греющей камеры, нагревается и вскипает по мере подъема. В переходной камере парожидкостная смесь насыщается воздухом и направляется в сепаратор, где происходит разделение жидкой и паровой фаз. Спиртовоздушная смесь, проходя брызгоотделеитель, освобождается от капель и выходит из аппарата, а метанол возвращается по циркуляционной трубе в греющую камеру, где происходит его испарение.

Техническая характеристика спиртоиспарителя:

Аппарат снабжен штуцером входа метанола в циркуляционную трубу Dу 450, ру 1, штуцерами входа воздуха Dу 300, ру 1 и выхода конденсата Dу 100, ру 1, штуцером выхода спиртовоздушной смеси Dу 800, ру 0,4.

Для расчета принимают агрегатную схему компоновки оборудования, по которой на один контактный аппарат приходится один спиртоиспаритель.

Тепловой расчет

Исходнве данные:

Теплоноситель - водяной насыщенный пар, образующийся при охлаждении контактного газа конденсатом в подконтактном холодильнике, давление пара 0,3 МПа, температура 133С; температура в С: жидкого метанола - 25; воздуха - 120; спиртовоздушной смеси на выходе из испарителя - 85; в спиртоиспаритель подают: жидкого метанола - 156,00107/3600=0,043 кмоль/с или 4992,0342/3600=1,39к кг/с; сухого воздуха - (38,875272+146,2450)/3600= 0,051 кмоль/с; количество: паров воды в воздухе 4,11782/3600=0,00114 кмоль/с, воды в техническом метаноле 3,99682 кг/ч; спиртовоздушной смеси на выходе из испарителя 0,096 кмоль/с.

Цель расчета - Определение расхода греющего пара.

Уравнение теплового баланса в общем виде:

Ф1 + Ф2 + Ф3 = Ф4 + Ф5 + ФПОТ,

Где Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 - тепловые потоки жидкого технического метанола, воздуха, греющего пара и спиртовоздушной смеси, кВт;

Ф5 - теплота, расходуемая на испарение метанола и воды, кВт;

ФПОТ - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Тепловой поток жидкого технического метанола:

Ф1=0,043*81,60+(3,99682*4,187/3600)*25=87,83 кВт

Где 81,60 - молярная теплоемкость жидкого технического метанола, Дж/(моль*К);

4,187 - удельная теплоемкость воды, кДж/(моль*К).

Тепловой поток воздуха:

Ф2=(0,051*29,725+0,00114*34,42)*120=187,108 кВт

Где 29,725 - средняя молярная теплоемкость сухого воздуха, Дж/(моль*К);

34,42 - молярная теплоемкость водяного пара, Дж/(моль*К).

Значение молярных теплоемкостей компонентов воздуха и жидкого метанола рассчитывают при температуре Т=120+273=393 К. для определения теплового потока спиртовоздушной смеси Ф4 используют данные таблицы материального баланса стадии контактирования; среднюю молярную теплоемкость спиртовоздушной смеси рассчитывают при температуре Т=85+273=358 К.

Расчет средней молярной теплоемкости спиртовоздушной смеси:

Xi,

Ci, Дж/(моль*К)

Ci* Xi/100, Дж/(моль*К)

CH3OH

O2

N2

H2O
    45,16 11,25 42,33 1,26
    48,96 29,73 29,41 34,09
    22,11 3,34 12,45 0,43

Всего:

100,00

-

38,33

Тепловой поток спиртовоздушной смеси:

Ф4=0,096*38,33*85=312,7728 кВт

Расход теплоты на испарение метанола и воды:

Ф5=1,39*1050,1+1050,1+(3,99682/3600)*2297,0=1462,19 кВт

Где: 1050,1 и 2297,0 - удельная теплота парообразования метанола и воды, кДж/кг

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 1 от общего прихода (расхода) теплоты:

Фпот=(312,7728+1462,19)*1/(100-1)=18 кВт

Общий расход теплоты:

Фрасх=Ф4+Ф5+Фпот=312,7728+1462,17+18=1793 кВт

Тепловой поток греющего пара находят из уравнения теплового баланса:

Ф3 = Фрасх - Ф1 - Ф2=1793-87,83-187,108=1518,062 кВт

Расход греющего пара:

1518,062/(0,9*2171)=0,777 кг/с или 2797,2 кг/ч

Где: 2171 - удельная теплота парообразования при р=0,3 МПа, кДж/кг;

0,9 - к. п.д. теплообменника.

Расчет спиртоиспарителя:

Выполняют проверочный расчет площади поверхности теплообмена.

Необходимую площадь поверхности теплообмена определяют по формуле:

Fа = Фа/(кТср)

Расчет ведут по зонам нагрева метанола от 25 до 85С и испарения его при 85С.

Тепловая нагрузка аппарата по зоне нагрева:

Фан=87830(85-25)/25=210792 Вт

Тепловая нагрузка по зоне испарения:

Фисп=1462190 Вт

Температурная схема теплообмена:

Водяной пар

133С 133С 133С

метанол

25С 85С 85С

Зона нагрева зона испарения

Средняя разность температур:

В зоне нагрева:

Tmax=133-25=108С, tmin=133-85=48С,

Tсрн=(108-48)/2,303lg(108/48)=74С, Тсрисп=48 К.

Тепловой баланс спиртоиспарителя:

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

К = (1/1+rст+1/2)-1

Приход

КВт

Расход

КВт

Тепловой поток метанола

Тепловой поток воздуха

Тепловой поток греющего пара
    87,83 187,108 1518,062
    4,9 10,4 84,7

Тепловой поток спиртовоздушной смеси

Теплопотери на испарение

Теплопотери в окружающую среду
    312,7728 1462,19 18
    17,4 81,6 1

Всего:

1793

100,00

Всего:

1793

100,00

Где: 1 - коэффициент теплоотдачи от греющего пара к стенке трубы, Вт/(м2*К);

2 - кэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому метанолу (зона нагрева) и кипящему метанолу (зона испарения), Вт/(м2*К).

Данные о теплофизических параметрах воды, водяного пара и метанола при соответствующих температурах находят по спарвочнику:

Метанол:

При t=25С = 767,5 кг/м3

При t=85С = 730,5 кг/м3; п = 2,47 кг/м3; r = 1072*103 Дж/кг;

= 17,13*10-3 Н/м; = 277,5*10-6 Па*с; = 18,70*10-2 Вт/(м*К);

При t=55С = 760,5 кг/м3; = 373,5*10-6 Па*с;

= 20,64*10-2 Вт/(м*К); с = 2840 Дж/(кг*К); Рr=5,14;

Вода:

При t=133С = 932,3 кг/м3; = 207,2*10-6 Па*с;

= 68,57*10-2 Вт/(м*К); r = 2171*103 Дж/кг.

Коэффициент теплоотдачи от конденсирующегося водяного пара к стенке трубы высотой Н определяют по формуле:

    1 = 1,21(2rg / Н)1/3-1/3, 1 = 1,21*68,75*10-2(932,32*2171*103*9,81 / 207,2*10-6*4)1/3-1/3 = 2,33*105-1/3.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к потоку метанола (в зоне нагрева) определяют по формуле:

2н = Nu/d.

При скорости движения метанола в трубном пространстве = 0,05 м/с критерий Рейнольдса равен:

Re=d/=0.05*0.05*760.5/(373.5*10-6)=5090/

Режим движения - переходный, следовательно, критерий Нуссельта рассчитывают по формуле:

Nu=0.008Re0.9Pr0.43=0.008*50900.9*5.140.43=35.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к нагреваемому метанолу:

2н = 35*20,64*10-2 / 0,05=144 Вт/(м2К).

Определяют коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящему метанолу (в зоне испарения) по формуле:

2исп = b2/ (Tкип)1/32/3,

Где: b - безразмерный коэффициент; - поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.

Так как эта формула справедлива при умеренной плотности теплового потока (0,4кр), то рассчитывают критическую поверхность теплового потока по формуле:

,

0,4кр=0,4*785114=314046 Вт/м2.

Поверхностная плотность теплового потока для принятого испарителя:

=Фисп/F=1462190/162=9025,864 Вт/м2.

Так как 0,4кр, то, следовательно, принятая для расчета 2исп формула применима.

Коэффициент b определяют по формуле:

B=0,075*1+10(/п-1)-2/3,

B=0,075*1+10(730,5/2,47-1)-2/3=0,0919.

.

Сумма термических сопротивлений стенки трубы с учетом слоев загрязнений:

Rст=r1+r2+r3=0.00018+0.0035/17.5+0.00035=0.00074 м2К/Вт,

Где: r1 и r3 - сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон стенки трубы, м2К/Вт; 0,0035 - толщина стенки трубы, м; 17,5 - теплопроводность нержавеющей стали, Вт/(м*К).

Из основного уравнения теплопередачи и уравнения аддитивности термических сопротивлений следует:

При Тср = 48 К получают:

У1 = 0,00000431,33 + 0,00074 + 0,4630,33 - 48 = 0.

Принимают 1=20000 Вт/м2, тогда:

У1=0,0000043*200001,33+0,00074*20000+0,463*200000,33-48=2,259+12,160+14,800-48,000=-18,781.

Принимают 2=40000 Вт/м2, тогда:

У2=0,0000043*400001,33+0,00074*40000+0,463*400000,33-48=5,678+29,600+15,285-48,000=2,563.

Истинное значение поверхностной плотности теплового потока при у=0:

Коэффициент теплоотдачи от греющего водяного пара к стенке трубы:

1=2,33*105*37598-1/3=7204 Вт/(м2К).

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящему метанолу:

2исп=2,16*375982/3=2424 Вт/(м2К).

Коэффициент теплопередачи по зоне нагрева:

К1=(1/7204+0,00074+1/144)-1=128 Вт/(м2К).

Коэффициент теплопередачи по зоне испарения:

К2=(1/7204+0,00074+1/2424)-1=774 Вт/(м2К).

Площадь поверхности теплообмена:

F=F1+F2=262843/(128*74)+1462190/(774*48)=27,75+39,36=67,11 м3.

Так как при расчете процесса теплопередачи для случая кипения жидкости отклонения экспереминтальных данных от рассчитанных по формуле лежат в приделах 35, то площадь поверхности зоны испарения должна быть увеличена. Кроме того, возможно попадение воздуха в кипящий метанол, что резко снижает коэффициент теплопередачи; следовательно, для спиртоиспарителя, работающего в данных условиях, необходим большой запас площади поверхности теплообмена.

Технологический расчет подконтактного холодильника

Назначение, устройство и основные размеры.

Определение числа аппаратов

Подконтактный холодильник предназначен для быстрого охлаждения контактного газа до 140-160С во избежание разложения образовавшегося формальдегида.

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

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 избижание этого на корпусе установлен линзовый компенсатор.

Техническая характеристика:

Диаметр внутренний, мм

2000

Высота общая, мм

5500

Число труб (dтр=252,5 мм)

1752

Длина трубки, мм

4000

Площадь поверхности теплопередачи, м2

550

Аппарат снабжен штуцером выхода газа Dy 600, ру 1, шестью штуцерами входа конденсата Dy 80, ру 1 и шестью штуцерами выхода пароводяной эмульсии Dy 150, ру 1.

Принимают агрегатную схему компоновки оборудования - контактный аппарат смонтирован непосредственно на подконтактном холодильнике.

Тепловой расчет

Исходные данные:

В холодильник подают 402,6821/3600=0,112 кмоль/ч контактного газа;

Температура:

На входе в холодильник 680С; на выходе из холодильника 150С.

Цель расчета - Определение тепловой нагрузки холодильника и расхода парового конденсата.

Уравнение теплового баланса холодильника в общем виде:

Ф1=Ф2+Ф3+Фпот

Где: Ф1 и Ф2 - тепловые потоки контактного газа на входе в холодильник и на выходе из него, кВт; Ф3 - теплота, отводимая испаряющимся конденсатом, кВт; Фпот - теплопотери в окружающую среду, кВт.

Тепловой поток контактного газа на входе в холодильник Ф1 определен в тепловом расчете контактного аппарата Ф1=3716,303 кВт.

Для определения значения Ф2 рассчитывают среднюю молярную теплоемкость контактного газа при Т=150+273=423 К.

Расчет средней молярной теплоемкости контактного газа:

Xi,

Ci, Дж/(моль*К)

Ci* Xi/100, Дж/(моль*К)

CH3OH

СН2O

СО

СО2

N2

Н2

H2O
    17,04 19,5 0,43 1,73 36,6 6,3 18,4
    54,23 40,72 29,88 43,19 29,09 28,94 34,71
    9,24 7,74 0,13 0,75 10,65 1,82 6,39

Всего:

100,00

-

36,72

Тепловой поток контактного газа на выходе из холодильника:

Ф2=0,112*36,72*150=616,9 кВт.

Тепловой баланс холодильника:

Приход:

КВт

Расход:

КВт

Тепловой поток контактного газа на входе

3716,303

100

Тепловой поток контактного газа на выходе

Теплота, отводимая испаряющимся конденсатом

Теплопотери в окружающую среду
    616,9 2913,588 185,815
    16,6 78,4 5

Всего:

3716,303

100

Всего:

3716,303

100

Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 5% от общего прихода теплоты:

Фпот=0,05*3716,303=185,815 кВт.

Теплоту, отводимую испаряющимся конденсатом (тепловую нагрузку холодильника), находят из уравнения теплового баланса:

Ф3=Ф1-Ф2-Фпот=3716,303-616,9-185,815=2913,588 кВт.

Расход конденсата:

M=2913,588/2171=1,342 кг/с или 4831,376 кг/ч,

Где: 2171 - удельная теплота парообразования при р=0,3 МПа, кДж/кг

Расчет подконтактного холодильника

Выполняют проверочный расчет площади поверхности теплообмена определяют по формуле. Тепловая нагрузка определена в тепловом расчете подконтактного холодильника Фа=2913588 Вт.

Температурная схема теплообмена:

Контактный газ

680С 150С

Конденсат

133С 133

Tmax=680-133=547C (547 K)

Tmin=150-133=17C (17 K)

Т=153 К.

Коэффициент теплопередачи определяют по формуле:

К=(1/1+rст+1/2)-1,

Где: 1 - средний коэффициент теплоотдачи от контактного газа к стенке трубы, Вт/(м2К); 2 - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящему конденсату, Вт/(м2К).

Определяют средний коэффициент теплоотдачи от контактного газа к стенке трубы:

2 = АтрW0,8d-0,2,

Где: Атр - коэффициент, учитывающий физические свойства контактного газа при средней температуре; W - массовая скорость контактного газа в трубном пространстве, кг/(м2с); d - внутренний диаметр трубы, м.

Теплофизические параметры контактного газа находят при средней температуре:

Tср=(680+150)/2=415С.

Рассчитывают среднее значение молярной теплоемкости контактного газа для интервала температур 150-680С (значения Сm при 150 и 680С рассчитаны ранее):

Сm=(48,796+36,72)/2=42,758 Дж/моль*К

Динамическую вязкость контактного газа определяют по формуле. Для упращения расчета делают следующие допущения:

В поток "метанол" включают метанол и формальдегид;

В поток "диоксид углерода" включают диоксид и оксид углерода.

Расчет динамической вязкости контактного газа:

СН3ОН

СО2

N2

Н2

Н2О

Xi, %

36.54

2.19

36.6

6.3

18.4

100

Mr

32

44

28

2

18

-

Mixi/100

11.7

0.96

10.248

0.126

3.312

26.346

I107, Пас

231

304

315

156

237

-

(Mixi/100)10-7, Пас

0.0506

0.00315

0.0325

0.0008

0.014

0.10105

См=(26,346/0,10105)10-7=260,722410-7 Пас

Удельная теплоемкость контактного газа:

С=42,758*1000/26,346=1622,941 Дж/кг*К.

Принимают, что критерий Прандля для двухатомных газов Рr=0,72 , тогда теплопроводность контактного газа:

=1622,941*260,7224*10-7/0,72=0,0588 Вт/м*К.

Площадь сечения трубного пространства подконтактного холодильника:

Sтр=0,785*2,02*1752=0,55 м2.

Массовая скорость контактного газа в трубном пространстве:

W=m/Sтр=10409,0048/0,55/3600=5,25 кг/(м2с),

Где: m - расход контактного газа, кг/ч

Коэффициент, учитывающий физические свойства контактного газа, определяют по формуле:

Атр=17,2*10-3(/0,8)*(Рr/0,73)0,4,

Атр=17,2*10-3(0,0588/(260,7224*10-7)0,8)*(0,72/0,73)0,4=4,67.

Средний коэффициент теплоотдачи:

1=4,67*5,250,8*0,02-0,2=38,48 Вт/(м2К).

Определяют коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящему конденсату по формуле:

2=Nu*/,

Где: - теплопроводность конденсата, Вт/(м*К); - определяющий параметр, м.

При 133С =68,6*10-2 Вт/(м*К), =7,05*10-6 м.

Для выбора формулы, по которой рассчитывают значение критерия Нуссельта, необходимо знать режим движения конденсата в межтрубном пространстве.

Критерий Рейнольдса определяют по формуле:

Re=B,

Где: В - коэффициент, учитывающий теплофизические свойства кипящего конденсата, м2/Вт;

- поверхностная плотность теплового потока, Вт/м2.

При 133С В=9,03*10-6 м2/Вт.

При тепловой нагрузке Фа=2913588 Вт и площади поверхности теплообмена Fа=550 м2.

=Фа/Fа=2913588/550=5297,433 Вт/м2.

Re=9,03*10-6*5297,433=0,047.

Так как, Re10-2, то для определения критерия Нуссельта используют формулу:

Nu=0,125Re0,65Рr0,3

При температуре 133С Pr=1,29.

Nu=0,125*0,0470,65*1,290,33=0,0186.

Коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к кипящему конденсату:

2=0,0186*68,6*10-2/7,05*10-6=1809,8723 Вт/(м2К).

Сумма термических сопротивлений стенки трубы с учетом слоев с обеих сторон:

rст = r1 + r2 + r3 = 0.00009+0.0025/17.5+0.00018=0.000413 м2К/Вт.

Где: r1 и r3 - сопротивление слоев загрязнений с обеих сторон трубы, м2К/Вт;

0,0025 - толщина стенки трубы, м; 17,5 - теплопроводность нержавеющей стали, Вт/(м*К).

Коэффициент теплопередачи:

К = (1/38,48+0,000413+1/1809,8723)-1=37,10 Вт/(м2К).

Площадь поверхности теплопередачи:

Fa = 2913588/3710*153=513,2 м2.

Запас площади поверхности теплопередачи:

(550-513)*100/513=7,2

Похожие статьи




Расчетная часть - Технологический расчет контактного аппарата

Предыдущая | Следующая