Оборудование и установка для производства формальдегида

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию РФ

Государственное образовательное учреждение

высшего профессионального образования

«Казанский национальный исследовательский технологический университет»

Кафедра Машин и аппаратов химических производств

Курсовой проект

По дисциплине «Машины и аппараты химических производств»

Оборудование и установка для производства формальдегида

Казань, 2012



Содержание

1. Вводно-описательная технологическая часть

1.1 Введение

1.2 Физико-химические основы технологических процессов

1.3 Описание технологической схемы и основного аппарата

1.4 Литературный обзор конструкции аппаратов

1.5 Материальный баланс

1.5.1 Тепловой баланс

2. Технологические расчеты

2.1 Технологический аппарат с рубашкой и мешалкой

2.1.1 Тепловой расчет аппарата

2.1.2 Определение толщины тепловой изоляции рубашки аппарата

2.2 Расчет привода мешалки

3. Механические расчеты

3.1 Расчет толщины стенки обечайки корпуса аппарата

3.2 Расчет эллиптического днища (крышки) аппарата

3.3 Толщину корпуса рубашки аппарата

3.4 Расчет укрепления отверстий

3.4.1 Укрепление отверстий в цилиндрической обечайке

3.4.2 Укрепление отверстий в верхнем эллиптическом днище (крышке) аппарата

3.4.3 Укрепление отверстий в нижнем эллиптическом днище аппарата

3.4.4 Укрепление отверстий в цилиндрической обечайке рубашки

3.5 Расчет сопряжения рубашки с корпусом аппарата

3.5.1 Вспомогательные параметры

3.6 Допускаемое избыточное давление в рубашке

3.7 Определение высоты кольца

3.8 Расчет сварных швов

3.9 Нагрузка от собственного веса сосуда

4. БЖД и промышленная экология

Заключение

Список использованной литературы

Приложение



1. Вводно-описательная технологическая часть

1.1 Введение

Промышленность синтетического каучука - одна из ведущих отраслей нефтехимической индустрии. По объемам мирового потребления синтетические каучуки превзошли натуральный каучук и их основными потребителями являются шинная промышленность и производство различных резинотехнических изделий: гибкие рукава, приводные ремни, муфты, транспортерные ленты, прокладки. Значительное количество каучука расходуется в производстве искусственной кожи, пленочных материалов, электротехнической, кабельной, пищевой, текстильной промышленности, приборо- и машиностроении, медицине и других отраслях народного хозяйства [1].

Это каучуки общего назначения, которым не требуются специальные свойства. Каучуки специального назначения отличаются от них одним или несколькими свойствами, определяющими специфическую область их применения. К таким каучукам относятся тиоколы. Особое распространение получили жидкие тиоколы. Характерной особенностью полисульфидных олигомеров или жидких тиоколов является способность к “холодной вулканизации”, что наряду с уникальными свойствами вулканизатов определило широкие возможности их использования. Вулканизатам ПСО присуща универсальная химическая устойчивость, устойчивость к воздействию атмосферных факторов, высокие адгезионные свойства к различным поверхностям, даже влажным, стойкость к маслам и бензинам, кислотам и щелочам, водо-, паро- и газонепроницаемость, хорошие низкотемпературные свойства и длительный - свыше 25 лет - срок эксплуатаций.

Благодаря уникальным свойствам ПСО широко используют в производстве герметиков для авиации, судостроения, строительства, находят применение в технологии резин и выделки кожи, производства покрытий и адгезивов, в металлургии.

Первой стадией в получении жидких тиоколов является синтез 2,2-дихлорэтилформаля, разработанный научно-исследовательским институтом каучуков специального назначения НИИСК г. Казани.

1.2 Физико-химические основы технологических процессов

В основе получения 2,2-дихлордиэтилформаля сернокислотным методом лежит реакция:

2CI-CH2CH2-OH + CH2O CI-CH2CH2-O-CH2-O-CH2-CI +H2O

1) б+CH2=Oб-+H+ C+H2-OH

2)CI-CH2CH2-O-H++CH2-OHCI-CH2CH2-O+H-CH2OH > CICH2CH2-O-CH2OH+H+

3) CI-CH2CH2-O-CH2OH + H+ CICH2CH2-O-CH2-+OH2 H2O+CI-CH2CH2O-C+H2

4)CICH2CH2-OH++CH2OCH2CH2CICICH2CH2-+O-CH2-OCH2CH2CIH++CICH2CH2-O-CH2- O-CH2CH2CI

Со второй стадии этого процесса могут идти побочные реакции с образованием высших формалей.

5) CI-CH2CH2-OCH2-OH + C+H2-OH CICH2CH2-O-CH2-O-CH2OH+H+ CICH2CH2OCH2OC+H2+H2O

6)CICH2CH2-O-CH2OC+H2+ HOCH2CH2CICICH2CH2OCH2OCH2OCH2CH2CI+H+



Взаимодействие хлоргидрина с формальдегидом включает в себя ряд кислотнокатализируемых стадий, в результате чего в качестве основного продукта образуется формаль, а в качестве побочных более высшие формали.

Исторически первыми мономерами, применявшимися при получении полисульфидных олигомеров стали короткоцепные алифатические дихлориды: 1,2-дихлорэтан и 1,2-дихлорпропан. Несколько позже нашли применение 1,3-дихлоргидрин глицерина и 2,2-дихлорэтиловый эфир.

Перечисленные дихлориды имели ряд недостатков, которые не позволяют получать эластомеры с комплексом ценных свойств. Так, применение дихлорэтана и дихлорпропана приводило к эластомерам с высокой температурой стеклования, придавало им неприятный запах, а использование 1,3-дихлоргидрина глицерина не позволяло получать водостойкие полимеры. Значительный прогресс наметился после того, как Патрик предложил использовать в качестве мономера 2,21-дихлордиэтилформаль (формаль-1), получаемый взаимодействием этиленхлоргидрина (ЭХГ) и параформальдегида (ПФ) в присутствии кислоты и азеотропообразующего агента:

2 CICH2CH2OH +CH2O H+ CICH2CH2OCH2 OCH2CH2CI + H2O

Катализаторами этой реакции являются серная, соляная, фосфорная кислоты, а также хлориды кальция, магния железа или цинка, которые могут образовывать комплексные соединения или вследствии гидролиза создавать кислую среду.

В нашей стране формаль-1 до 1960 года в промышленном масштабе получали из ЭХГ и ПФ в присутствии хлорида кальция и следов минеральной кислоты. Выход готового продукта составлял при этом до 85%, считая на ПФ. Но указанный метод был крайне неудобным в технологическом отношении и был заменен.

С 1960 года формаль-1 получали по методу, разработанному Р.А.Шляхтером с одновременной отгонкой азеотропной смеси H2O - ЭХГ. Параформальдегид и этиленхлоргидрин использовались в мольном соотношение 2,6:1, концентрация серной кислоты в реакционной смеси составляла 0,25 масс.%. При этом выход формаля значительно повышался за счет выведения образовавшейся воды, которая отгонялась в виде азеотропа.

Первая стадия процесса состояла в растворении ПФ в ЭХГ при повышении температуры с образованием полуацеталя. Затем проводился вакуумный синтез с одновременной ректификацией продуктов реакции, во время которой отбирались четыре фракции, представлявшие собой азеотроп H2O -ЭХГ, ЭХГ, смесь ЭХГ-формаль, формаль-ректификат. Водный ЭХГ при этом выводился из процесса, а ЭХГ и смесь с формалем направлялись в рецикл.

Изучение условий ректификации формаль-сырца показало, что во избежание сильного смолообразования ректификацию нужно проводить при температуре не выше 150оС. Образовавшиеся смолы представляли собой продукты разложения ЭХГ, формаля-1, а также полимера формальдегида, получавшегося в результате гидролиза формаля-1. В результате смолообразования выход формаля снизился на 8-10%.

Данный метод при этом имел следующий ряд недостатков:

1. Наличие обводненного ЭХГ, который не удавалось переработать;

2. Большие энергетические, тепловые затраты;

3. Наличие кубовых остатков, отходов производств;

4. Высокая коррозия оборудования;

5. Забивка оборудования.

Также в некоторых работах были предложены другие способы получения формаля-1. Например, взаимодействием ПФ, окиси этилена и хлористого водорода.



CH2O + 2 CH2-CH2 + 2HCI CIC2H4OCH2OC2H4CI +H2O;

Однако недостатки технологической проработки не позволяют сделать определенный вывод о перспективности его промышленного использования.

Расширение областей применения ПСО, связанное с использованием их при низких температурах вызвало необходимость создания олигомеров на основе дигалогенидов, содержащих большие углеводородные группы. Так, например, в США были получены полимеры на основе 4,4-1дихлордибутилформаля, обладающего высокой морозостойкостью.

В нашей стране для этих целей были проведены работы по синтезу формаля на основе хлоргидридов и диэтиленгликоля выделенных из кубовых остатков производства ЭХГ. Синтез 2,21-дихлордиэтоксиэтилформаля был осуществлен взаимодействием 2-хлорэтоксиэтанола с ПФ в присутствии H2SO4.

2CIC2H4OC2H4OH +CH2=O H+ CIC2H4OC2H4OCH2OC2H4 OC2H4CI + H2O;

Выделявшаяся при этом H2O отгонялась в виде азеотропа со взятым в избытке 2- хлорэтоксиэтанолом.

1.3 Описание технологической схемы. Основного аппарата. Литературный обзор конструкции аппаратов

ПФ 000.000.000 СЗ

Процесс получения формаля осуществляется периодическим способом из этиленхлоргидрина и параформальдегида в присутствии серной кислоты, используемой в качестве катализаторов и средства для отделения реакционной воды от продукта реакции.

Процесс получения 2,21 -дихлордиэтилформаля состоит из стадий:

Синтез формаля-сырца

Разгонка формаля-сырца.

1.3.1 Синтез формаля-сырца

На синтез формаля-сырца ЭХГ принимается из ЖДЦ в емкости 11 и 12. Затем ЭХГ закачивается насосом 2 из емкостей 11 и 12 в реактор 81. При работающей мешалке в реактор загружается параформальдегид и индикатор метиловый оранжевый. Во время загрузки параформальдегида пыль улавливается и направляется в циклон 5.

Серная кислота принимается со склада жидких продуктов в аппарат 6, из которого давлением азота до 2,5 кг/см3 передавливается в мерник 7, откуда самотеком сливается в реактор 81.

После загрузки параформальдегида, в рубашку реактора подается пар и реакционная смесь подогревается до 60оС и туда же подается серная кислота. Реакционная масса перемешивается в течение 180 минут, а затем охлаждается.

Затем мешалка выключается и реакционная масса отстаивается от 240 до 300 минут.

Образующийся нижний (кислотный) слой передавливается азотом в емкости 112 и 111. Граница раздела фаз: органический слой (формаль-сырец) от неорганического слоя (разбавленная водой серная кислота) определяется по разделительному фонарю.

На оставшийся органический слой формаля-сырца в реактор загружается новая порция серной кислоты из мерника 7 и содержимое аппарата перемешивается 180 минут. Затем при температуре 30оС и выключенной мешалке реакционная масса отстаивается 480 минут. Образовавшийся нижний слой передавливается азотом в 111 и 112 емкости. Отработанная серная кислота передавливается периодически из 11 емкости в корпус 451 для разбавления с последующим использованием на коагуляции

дисперсии в производстве тиокола. Полученный формаль-сырец передавливается на разгонку в 82 аппарат.

1.3.2 Разгонка формаля-сырца

Разгонка формаля-сырца осуществляется в аппарате 82, оснащенном рубашкой, мешалкой и вакуумной линией. Процесс отгонки ЭХГ ведется под вакуумом, создаваемым вакуумным насосом 12, при температуре в аппарате не выше 100оС и при перемешивании.

Подогрев аппарата осуществляется подачей в рубашку пара. Аппарат 82 связан с атмосферой гидрозатвором 10.

Пары ЭХГ конденсируются в конденсаторе 4, конденсат собирается в сборнике 9, откуда возвращаются в 11 и 12 емкости. Отгонка продолжается до содержания ЭХГ в формале не более 3%.

После отгонки ЭХГ, полученный формаль охлаждается до температуры 20 - 30оС и передавливается азотом в 13 емкость или идет на приготовление формалевой шихты.

1.3.3 Приготовление шихты

Трихлорпропан из передвижной емкости принимается в апп. 114 (уровень контролируется прибором поз. 814), из которого за счет вакууметрического давления принимается в апп.32. Из апп.32 давлением азота до 2,5кгс/см2 трихлорпропан передается в дозер 39, из которого сливается в апп.355-7 для приготовления шихты.

Продукты производства: формаль, этиленхлоргидрин-регенерат принимаются из отделения вакуумной разгонки формаля-сырца:

- формаль в апп.1612,5 (уровень контролируется приборами поз.804,805), из которого насосом 36 откачивается в апп.355-7 для приготовления шихты,

- этиленхлоргидрин - регенерат принимается в апп 12, из которого насосом 2а откачивается в апп.81-4 на синтез формаля - сырца.

Шихта готовится в апп.355-7, для чего формаль подается из апп.1612,5, трихлорпропан из мерника 39.

Содержимое аппарата перемешивается в течение 60 минут и готовая шихта насосом .531,2 передается в отделение поликонденсации.

Шихта считается кондиционной при получении двух сходимых результатов анализа различных проб, отобранных в интервале перемешивания не менее 15 минут.

При получении некондиционной шихты производится ее исправление путем добавления того или иного компонента, перемешиванием не менее 60 минут с последующим анализом. 3.5, Отдувки из апп. 114 поступают на гидрозатвор 68а, с 355-7 и 1612,5 - на гидрозатвор 5.

ПФ 001.000.000 СБ основной аппарат представляет собой аппарат с мешалкой предназначеного для физико-химических процессов под вакуумом и давлением. Номинальный объем аппарата - 25,0м3. Коэффициент заполнения - 0,8. Среда в корпусе - органические и неорганические кислоты. Теплоноситель в рубашке вода, водяной пар и другие не коррозионные жидкости. Площадь теплообмена - 35м3.

Обогрев реакционной массы осуществляется путем подачи в рубашку аппарата пара.

Приводом мешалки является мотор - редуктор МР1-315-26-100-Ф1П с электродвигателем В180М8, мощность 30кВт.

Частота вращения вала мешалки - 100об/мин. Загрузка

параформальдегида осуществляется через люк. Разделение органического слоя от неорганического осуществляется по смотровому фонарю. Корпус аппарата покрыт противокоррозийной эмалью.

Загрузка параформальдегида осуществляется через люк. Разделение органического слоя от неорганического осуществляется через смотровое стекло (по фонарю).



1.4 Литературный обзор конструкции аппаратов

№ п/п	Наименование оборудования (тип, наименование аппарата, назначение и т.д.)	Номер позиции на схеме (заполняется при необходимости)	Количество	Материал	Методы защиты металла оборудования от коррозии (заполняется при необходимости)	Техническая характеристика
1	2	3	4	5	6	7
1	Цистерна для ЭХГ	11	1	Ст 08 СП ГОСТ 1050-78	Эмалированная емкость	Объем - 16 м3, высота - 4210 ± 35 мм, диаметр - 2600 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 6 кгс/см2
2	Цистерна для ЭХГ	12	1	Сталь	Сталь футерованная кислотноупорная	Объем - 25 м3, диаметр - 2000 мм, длина цилиндрической части - 6000 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 6 кгс/см2
3	Цистерна для ЭХГ	13	1	Сталь		Объем - 50 м3, диаметр - 2400 мм, длина - 11325 мм, высота - 3241 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 7,35 кгс/см2
4	Цистерна для ЭХГ	41,2	2	Сталь Б1016ГС		Объем - 100 м3, диаметр - 3000 мм, длина - 14836 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 6 кгс/см2
5	Дозер для серной кислоты	7	1	Сталь эмаль	Стальной эмалированный	Объем - 1,25 м3, длина - 860 мм, диаметр - 1200 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 3 кгс/см2
6	Реактор для синтеза формаля	81-3 84	3 1	Сталь эмаль Сталь эмаль	Эмалированный Эмалированный	Объем - 25 м3, высота - 7930 ± 75 мм, диаметр - 2800 мм, рабочее давление в корпусе - 6 кгс/см2, рабочее давление в рубашке - 4 кгс/см2, рабочая температура в рубашке - 170?C, рабочая температура в корпусе - 100?C, Объем - 40 м3, высота - 9985 ± 95 мм, диаметр - 3200 мм, рабочее давление в корпусе - 6 кгс/см2, рабочее давление в рубашке - 4 кгс/см2, рабочая температура в рубашке - 170?C, рабочая температура в корпусе - 100?C, Тип электродвигателя В180М8, ВЗТ4, мощность - 15 кВт, частота вращения вала мешалки - 100 об/мин
7	Аварийная цистерна для ЭХГ	161б	1	Сталь		Объем - 100 м3, рабочее давление - атмосферное
8	Гидрозатвор	102	1	Ст 08 СП		Емкость - 160 л, диаметр - 600 мм, высота - 600 мм, рабочее давление - атмосферное
9	Гидрозатвор	4а	1	Сталь		Емкость - 150 л, рабочее давление - атмосферное
10	Цистерна для трихлорпропана (ТХП)	114	1	Сталь		Объем - 50 м3, диаметр - 2800 мм, длина цилиндрической части - 8800 мм, рабочее давление - 2,5 кгс/см2, расчетное давление - 3 кгс/см2
11	Цистерна для разбавленной серной кислоты	111,2	2	Сталь		Объем - 50 м3, длина - 6800 ± 70 мм, диаметр - 3200 мм, рабочее давление - 2,5 кгс/см2, расчетное давление - 6 кгс/см2, снабжена подушкой
12	Конденсатор для конденсации паров этиленхлоргидрина	165-7	3	Углеграфитовый		Кожухоблочный, число блоков - 10, поверхность теплообмена - 40 м2, размер блока - 700Ч350 мм, количество вертикальных отверстий - 208, горизонтальных - 206, диаметр отверстия - 18 мм, рабочее давление - 0,7 кгс/см2, расчетное давление - 3 кгс/см2
13	Сборник для ТХП	32	1	Чугун	Эмалированный	Объем - 20 м3, диаметр - 1400 мм, длина - 1530 мм, рабочее давление - 2,5 кгс/см2, расчетное давление - 3 кгс/см2
14	Реактор для приготовления шихты	355-7	3	Сталь	Эмалированный	Объем - 6,3 м3, высота - 4950 мм, диаметр - 2000 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 4,5 кгс/см2, электродвигатель - ВАО 51-4, мощность - 75 кВт, напряжение - 380 В, число оборотов - 1460 об/мин, давление рабочее - атмосферное
15	Мерник для ТХП	39	1	Сталь		Объем - 0,15 м3, диаметр - 400 мм, длина - 1200 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - атмосферное
16	Циклон	45	1	Сталь
17	Аппарат для серной кислоты	691	1	Сталь	Эмалированный	Объем - 4,0 м3, диаметр - 1600 мм, высота - 2400 мм, рабочее давление - 2,5 кгс/см2, расчетное давление - 3 кгс/см2
18	Аппарат для серной кислоты	692	1	Ст 3		Объем - 0,63 м3, диаметр - 800 мм, высота - 1820 мм, рабочее давление - 0,5 кгс/см2, расчетное давление - 3 кгс/см2
19	Гидрозатвор	68а, 5	2	СКЛ - 4		Вместимость - 0,2 м3, диаметр - 640 мм, высота - 740 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - атмосферное
20	Цистерна для формаля	1612,5	2	Ст 16ГС	Эмалированный	Емкость - 50 м3, диаметр - 3000 мм, длина цилиндрической части - 8000 мм, рабочее давление - атмосферное, расчетное давление - 6,0 кгс/см2
21	Сборник для ЭХГ	1903-6	4	Ст 08	Эмалированный	Объем - 3 м3, диаметр - 1400 мм, длина - 2000 мм, расчетное давление - 3 кгс/см2
22	Вакуумный насос	1121,2	2			Водокольцевой, производительность - 720 л/мин, вакуум - 90 %, номинальное абсолютное давление - 10 кПа, остаточное давление - 2,6 кПа
23	Центробежный насос для перекачки ЭХГ в реактор	2а	1			Тип насоса - Х 45/31-Г-0-УХЛ-4, марка электродвигателя ВАО 52-2-4-3, мощность - 6,2 кВт, число оборотов - 2900 об/мин, производительность - 10-25 м3/час, напор - 57 м вод ст
24	Центробежный насос для перекачки ЭХГ в реактор	31,2 2б	2 1			Тип насоса - Х-65-50-160-К-155, марка электродвигателя 2В132М2, число оборотов - 2900 об/мин, производительность - 25 м3/час, напор - 32 м вод ст
25	Центробежный насос для подачи шихты	531,2	2			Тип насоса - 2К 4И 2-1-63, марка электродвигателя - ВАО-52-21 (ВЗГ), число оборотов - 2900 об/мин, производительность - 20 м3/час, напор - 53 м вод ст
26	Центробежный насос для подачи формаля	36	1			Тип насоса - 2,5 ЦСП, марка электродвигателя - КО-11-2, мощность - 8 кВт, число оборотов - 2900 об/мин, производительность - 10-25 м3/час, напор - 57 м вод ст

1.5 Материальный баланс

Материальный баланс производства 2,2дихлорэтилформаля по сернокислотному методу с избыточной дозировкой серной кислоты

Синтез формаля:

2CI-CH2- CH2-OH + CH2 O H2SO4>CI- CH2 CH2-O- CH2O CH2 CH2CI + H2O 2*80.5 г/моль 30г/моль 173г/моль 18г/моль

На ряду с этим идет образование высших формалей:



2CICH2 CH2-OH +2 CH2O H2SO4> CI- CH2 CH2-O- CH2O CH2 OCH2O- CH2 CH2CI + H2O

2CIC2H4OH +3 CH2O H2SO4>CI CH2 CH2O CH2O CH2O CH2O CH2OCH2CI + H2O

На образование высших формалей идет 15% параформальдегида.

Молярное соотношение теоретическое ЭХГ:ПФ 2:1,

Массовое соотношение теоретическое ЭХГ:ПФ 5,37:1.

1.Производительность по товарному формалю 4000 (т/год)

2. Число часов работы в году: 635*24=8760 (часов)

Продолжительность планового, предупредительного ремонта:

20*24=480 (часов)

8760-480=8280 (часов)

3. Производительность формаля за одну операцию:

Тц=36 часов, где Тц- время цикла

(кг/цикл)

4.Определим количество подаваемого на синтез ЭХГ:

17391,30*161/173=16184,97 (кг) ЭХГ идет на реакцию при 85% выходе

16184,97/0,85=19041,14 (кг) ЭХГ подается в реактор

5. Рассчитаем подачу H2SO4:

570 +270=840 (л), с=1837 (кг/м3)

m=0,84*1837==1540,56 (кг)

6. Рассчитаем количество поданного параформальдегида:

19041,14*30/161=3545,84 (кг) ПФ

7. Определим количество ПФ, идущего на образование высших формалей:

3547,84*0,15=531,88 (кг)

8. Определим количество образовавшейся H2O:

(3545,84-531,88)*18/30=1807,63 (кг)

9. Определим массу непрореагировавшего ЭХГ:

19041,14-16184,97=2856,17 (кг)

10. Состав кислотного слоя:

H2SO4 - 40%; H2O - 40%; ЭХГ - 16%; формаль - 4 %.

H2SO4 - 1540,56 (кг)

H2O - 1540,56 (кг)

ЭХГ - 1540,56*16/40=154,06 (кг)

11. Состав отгона:

ЭХГ: 2856,17-533,11-616,22=1706,84 (кг)

H2O: 1807,61-1540,56=267,06 (кг)

Формаль: (1706,84+267,06)*1/99=19,94 (кг)

12. Состав формаля:

17391,30-154,06-19,94=17217,3 (кг)

17217,3*3/97=532,49 (кг)

Материальный баланс

Сырье и продукты	Приход, кг	Расход, кг
		Формаль	Кислотный слой	Отгон
ЭХГ ПФ H2SO4 Формаль H2O Итого	19041,14 3545,84 1540,56 - -	533,19 531.88 - 17749,18 18282,37	612,22 - 1540,56 154,06 1540,56 3851,4	1706,84 - - 19,94 267,15 1993,93
Всего	24127,7		24127,7

1.5.2 Тепловой баланс

CICH2CH2OH +CH2O > CICH2CH2OCH2OH; Q1

ECCI+6ECH+ECO+EOH= ECCI+6ECH+2ECO+EOH



-156+2*75=-6(ккал/кг)*4,19=-25,14(кДж/кг);

Q1=-25,14 (кДж/кг);

CICH2CH2O CH2OH +OHCH2CH2CI >CICH2CH2OCH2OCH2 CH2CI+ H2O;

2ECCI+10ECH+2ECC +4ECO+2EOH= 2ECCI+10ECH+4ECO+2ECC +2EOH$

Q2=0;

Qp= Q1+ Q2=-25.14+0=-25.14 кДж/кг.

Qрастворения=70,5кДж/моль

Qобр=25,14 кДж/кг

Qнагрева = Emicpi (70-10) + Qобр + Qраствор = (1540,56*1,445 + 19041,14*1,425 + 3545,84*1,522)*60 + 17923,18*25,14 + 1540560/98*70,5 = 541493,25 (кДж) нужно подвести к реакционной массе путем подачи пара в рубашку

Пар: Рабс=4 кгс/см2 ,

Влажность5%.

Rпара=2141 кДж/кг (теплота конденсации)

Д-расход греющего пара;

Д=541493,35/2141=252,9кг.

Расчет количества H2O для охлаждения:

Qохд = Emicpi (70 - 40) = 17923,18 * 1,36 * 30 + 1540,56 * 1,44 * 30 + 2856,25 * 1,425 * 30 + 1807,71 * 4,19 * 30 = 114936,147 (кДж) нужно отвести путем подачи H2O в рубашку.

QB = m * cp * t = 1 * 4.19 * 20 = 83.8 (кДж) забирает1 кг H2O,

Дводы - расход воды:

Дводы=1146936/83,8=13686,58 (кг).

Расчет количества пара необходимого для отгона этиленхлоргидрина.

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

Q2 = Qнагр + Qф.п.;

Qф.п. = m * Qисп = 1706,84*641,87=1095569 (кДж)

Qнагр = Emicpi (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.

Дгреющего пара=3024069/2141=1412,45 (кг) пара.

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

Расход воды для охлаждения формаля Д2:

Дводы=1430009/83,8=17064 (кг) воды.

Найдем необходимую площадь теплообмена:

F=Q/R*t*r=3024069/(100*142,9*12)=17,64м3;

К- коэффициент теплопередачи (Вт/м3К)

tср= 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

Исходные данные:

Объем аппарата V=25 м3;

Давление в аппарате Р = 0,6 МПа;

Давление пара в рубашке Рп = 0,6 МПа;

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

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 Нж=3,28 м (при коэффициенте заполнения аппарата ), площадь поверхности теплообмена рубашки Fр=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 Нж=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 30ч45 єС. Выбираем tст.2=30 єС; tст.1- температура изоляции со стороны аппарата, tст.1=80 єС; tв=20 єС- температура окружающей среды (воздуха), єС;

- 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

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, nвых=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 ([у]), 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

3.1 Расчет толщины стенки обечайки корпуса аппарата [5, 6]

Рассчитываем обечайку корпуса на прочность в рабочих условиях:

(3.1)

Расчетную величину стенки S из условий прочности принимаем равной ближайшей толщине стандартного листа - 12 мм.

Определяем

.

Следовательно, необходим расчет обечайки корпуса на жесткость (наружное давление). Рассчитываем обечайку корпуса на жесткость:



. (3.2)

Для определения находим

, (3.3)

а также

, (3.4)

где - расчетная длина обечайки.

(3.5)

По номограмме (ГОСТ 14249-89) определяем . Отсюда:

Принимаем ближайшую стандартную толщину стенки из условия жесткости S=25 мм.

Проводим проверку допускаемого наружного давления.

Допускаемое давление: - из условия прочности:

(3.6)



- из условия жесткости:

(3.7)

Коэффициент выбирается меньшим из двух значений: и

. (3.8)

Допускаемое наружное давление:

(3.9)

Условие выполняется 0,86 МПа > 0,82 МПа.

каучук химический эллиптический

3.2 Расчет эллиптического днища (крышки) аппарата [6, 7]

Толщина эллиптического днища и эллиптической крышки аппарата на прочность в рабочих условиях:

(3.10)



R=D - для стандартного эллиптического днища (крышки).

Рассчитываем толщину днища аппарата на жесткость:

Принимаем толщину днища и крышки 20 мм.

3.3 Толщину корпуса рубашки аппарата:

(3.11)

3.4 Расчет укрепления отверстий

3.4.1 Укрепление отверстий в цилиндрической обечайки

Расчетный диаметр наибольшего отверстия в стенке обечайки :

,

где - максимальный условный проход штуцера в аппарате.

. (3.12)

Расчетный диаметр 2 одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки аппарата определяется по формуле:



.(3.13)

Т.к. расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию укрепление отверстия не требуется.

3.4.2 Укрепление отверстий в верхнем эллиптическом днище (крышке) аппарата [7]

Расчетный диаметр наибольшего отверстия в днище - люка Л

- диаметр отверстия.

(3.13)

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки аппарата:

Т.к. расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию укрепление отверстия не требуется.

3.4.3 Укрепление отверстий в нижнем эллиптическом днище аппарата

Расчетный диаметр наибольшего отверстия в днище - штуцер Ц

- диаметр отверстия.



Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки аппарата:

(3.14)

Т.к. расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию укрепление отверстия не требуется.

3.4.4 Укрепление отверстий в цилиндрической обечайке рубашки [7]

Расчетный диаметр наибольшего отверстия в днище - штуцера Ч, Ш

- диаметр отверстия.

Расчетный диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, при наличии избыточной толщины стенки аппарата:

Т.к. расчетный диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию укрепление отверстия не требуется.



3.5 Расчет сопряжения рубашки с корпусом аппарата

3.5.1 Вспомогательные параметры

а) расчетные коэффициенты прочности сварного шва

- размер сварного шва, м;

- толщина кольца, м;

- прибавка для компенсации коррозии, эрозии и минусового допуска для кольца;

- коэффициент прочности сварного шва.

б) параметры кольца

- ширина кольца, м;

- расстояние от середины стенки рубашки до наружной стороны стенки аппарата, м;

- допускаемое напряжение для материала кольца, МПа.

(3.15)

(3.16)

(3.17)

в) относительный момент нагружения

- диаметр окружности сопряжения рубашки с днищем аппарата, м.



(3.18)

(3.19)

г) относительный реактивный момент в стенке сосуда

(3.20)

д) относительный реактивный момент в стенке рубашки

(3.21)

е) относительный реактивный момент в месте сопряжения кольца со стенкой аппарата

(3.22)

3.6 Допускаемое избыточное давление в рубашке

(3.23)

. Допускаемое внутреннее избыточное давление больше расчетного.

3.7 Определение высоты кольца

Расчетная высота кольца

(3.24)

- исполнительная высота кольца.

3.8 Расчет сварных швов

Размер сварного шва между сосудом и кольцом при сопряжениях определяют по формуле

(3.25)

- исполнительный размер сварного шва.



3.9 Нагрузка от собственного веса сосуда

Проверку несущей способности при нагружении конических или кольцевых сопряжений собственным весом сосуда или рубашки проводим по формуле

, (3.26)

где F - осевое усилие

Собственный вес G1 заполненного аппарата без учета веса рубашки и опор вызывает в кольце усилие F, МН.

- масса заполненного аппарата без учета веса рубашки и опор.

(3.27)

Условие прочности выполняется.



4. Безопасность жизнедеятельности и экологичность технологического процесса

Ведение технологического процесса производства 2,2дихлорэтилформаля связано с применением взрывоопасных горючих продуктов, агрессивных и вредных для организма веществ: этиленхлоргидрина (ЭХГ), параформальдегида, серной кислоты, формаля.

Технологические процессы ведутся при Т до 100оС с использованием вакууметрического давления при отгоне этиленхлогидрина и избыточном давлении до 2,0 МПа при передавливании продуктов.

Наиболее опасным является стадия синтеза формаля-сырца из-за возможного выделения формальдегида и паров ЭХГ в атмосферу.

Обвязка оборудования выполнена трубопроводами, содержащими разъемные фланцевые соединения в связи с чем повышается опасность разгерметизации и разлива продукта.

Работа на оборудовании связана со следующими видами опасности:

1. Пожароопасность, которая связана с наличием горючих веществ, электрооборудования;

2. Термические ожоги, возникающие в результате попадания на тело человека горячей воды, пара, а также при попадании на тело серной кислоты могут возникнуть химические ожоги;

3. Возможность поражения электрическим током;

4. Механические травмы от не огражденных вращающихся механизмов;

5. Опасность, связанная с использованием вакуума, давления.

4.1 Экологичность проекта

1. Вентиляционные выбросы - воздух производственного помещения выбрасывается в атмосферу.

2. Технологические выбросы - газы отдувки проходят через гидрозатворы и выбрасываются в атмосферу. Гидрозатворы заполнены вазелином или маслом. После замены масло сжигается.

Твердые и жидкие отходы:

1. Параформальдегид, высыпавшийся из мешком улавливается и отправляется в циклон.; бумажные мешки из-под параформальдегида сжигаются.

2. Отогнанный ЭХГ повторно используется при синтезе. Вода из рубашек аппаратов повторно сбрасывается в ХЗК.

Основной проблемой данного производства является образующийся кислый слой.

Схема реакции:

2CI-C2H4-OH +CH2O > CI- C2H4 -OCH2OC2H4-CI+ H2O

173 г/моль 18г/моль

По этой технологии образующаяся вода «связывается» с серной кислотой, что способствует полному протеканию реакции, так как серная кислота обладает свойством «отнимать» воду практически от всех субтратов. Таким образом, состав кислотного слоя примерно по 42% H2O и H2SO4 , 15% ЭХГ и 1% формаля.



Заключение

В данном курсовом проекте разработано производство 2,21-дихлордиэтилформаля сернокислотным способом, которое позволяет получать до 4000 тонн в год. Основной проблемой проектируемого производства является огромное количество сточных вод (60 м3 на тонну формаля).

Так как формаль является полупродуктом, поэтому его используют в дальнейшем при получении тиоколов. В связи с ростом производства тиокола, производительность по формалю необходимо увеличить до 4400 т в год (при проектируемой мощности - 4000 т в год по данным предприятия).



Список использованной литературы

1. Поникаров И.И., Поникаров С.И., Рачковский С.В. Расчеты машин и аппаратов химических производств и нефтегазопереработки (примеры и задачи): Учебное пособие. - М.:Альфа-М, 2008. - 720 с.: ил.

2. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А., Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Учебное пособие для вузов. - 10-е изд., перераб. и доп. - Л.: Химия, 1987. - 576 с.

3. Пособие по проектированию «Основные ПАХТ» под ред. Ю.И.Дытнерского, 2-е издание, переработанное и дополненное; М.: Химия, 1991. - 496 с.

4. Генкин А. Э. Оборудование химических заводов. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1970. 352 с. с илл.

5. А.А. Лащинский, А.Р.Толчинский «Основы расчета и коснтруирования химической аппаратуры» М.: Физматгиз, 1970. - 725 с.

6. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.

7. ГОСТ 24755-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность укрепления отверстия.

8. ГОСТ 25867-83. Сосуды с рубашками. Нормы и методы расчета на прочность.

9. ГОСТ 26202-84. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность обечаек и днищ от воздействия опорных нагрузок.

Размещено на Allbest.ru

...