Конструктивный расчёт оборудования и компоновка оборудования стадии оксимирования анона в производстве капролактама

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат

ЦИКЛОГЕКСАНОНОКСИМ, КАПРОЛАКТАМ, РЕАКТОР СМЕШЕНИЯ, ТЕПЛООБМЕННИК, НАСОС, ТРУБОПРОВОД, ОПОРА, ШТУЦЕР, ФЛАНЕЦ

Целью выполнения курсового проекта является конструктивный расчёт оборудования и компоновка оборудования стадии оксимирования анона в производстве капролактама.

Пояснительная записка содержит: расчёт толщины обечайки реактора смешения, расчёт толщины днища, расчёт и подбор штуцеров и фланцев, подбор опоры реактора; расчёт и подбор холодильника реакционной смеси; расчёт и подбор насоса для подачи реакционной смеси; спецификацию оборудования, основные нормы и правила компоновки оборудования, правила трубопроводной обвязки.

Графическая часть включает:

- компоновка оборудования - 1 лист А1;

- чертёж основного аппарата - 1 лист А1.



Содержание

Введение

1. Механические расчеты отдельных узлов и деталей основного аппарата

1.1 Расчет толщины обечайки

1.2 Расчет толщины днища

1.3 Выбор штуцеров

1.4 Расчет опор

1.5 Подбор вала перешивающего устройства

2. Расчет и подбор холодильника реакционной смеси стадии оксимирования установки получения капролактама

2.1 Тепловой расчет холодильника

2.2 Подбор и проверочный расчет холодильника

2.3 Гидравлический расчет холодильника

3. Расчет и выбор насоса стадии оксимирования производства капролактама для подачи реакционной смеси

4. Компоновка оборудования с элементами трубопроводной обвязки стадии оксимирования производства капролактама

4.1 Спецификация оборудования

4.2 Основные нормы и правила компоновки оборудования

4.2.1 Компоновка технологического оборудования

4.2.2 Особенности компоновки при узловом и комплектно-блочном методах монтажа

4.2.3 Основные правила и требования, предъявляемые к компоновке оборудования

4.2.4 Технологические трубопроводы

4.2.5 Правила трубопроводной обвязки оборудования

4.2.6 Модульная координация размеров в строительстве

4.3 Трубопроводная обвязка

Заключение

Список использованных источников



Введение

Целью данной работы является проектирование установки оксимирования анона в производстве капролактама, из которого далее получают полиамидное волокно - капрон.

Капроновое волокно очень прочное и эластичное, устойчиво к истиранию и многократным деформациям. Капроновые волокна не впитывают влагу, поэтому не теряют прочности во влажном состоянии. Но у капронового волокна есть и недостатки. Оно малоустойчиво к действию кислот - макромолекулы капрона подвергаются гидролизу по месту амидных связей. Сравнительно невелика и теплостойкость капрона. При нагревании его прочность снижается, при 215°С происходит плавление.

Из капрона изготовляют канаты, рыболовные сети, леску, гитарные струны, фильтровальные материалы, кордную ткань, а также штапельные ткани, чулки и другие бытовые товары. Изделия из капрона, и в сочетании с капроном, широко используются в быту. Из капроновых нитей шьют одежду, которая стоит намного дешевле, чем одежда из натуральных природных материалов. Из кордной ткани делают каркасы авто- и авиапокрышек.

Будучи термопластичной, капроновая смола используется и в качестве пластмассы для изготовления деталей машин и механизмов - зубчатых колес, втулок, подшипников и т. п., отличающихся большой прочностью и износостойкостью.

Проектирование промышленных объектов представляет самостоятельную сферу деятельности. Строительству любого промышленного объекта предшествует его разработка на бумаге в виде комплекта чертежей и текстовых материалов (спецификаций, смети т.д.). Совокупность этих материалов называется проектно-сметной документацией. Ее разработкой занимаются проектные организации, а внутри этих организаций - специалисты-проектировщики.

Предметом монтажного проектирования является компоновка технологического оборудования и прокладка трубопроводов в пространстве проектируемого объекта. Результатом монтажного проектирования: являются чертежи расположения оборудования и трубопроводов, спецификации на трубы, трубопроводные детали и арматуру, т.е. именно та документация, на основании которой воплощается в жизнь реальный технологический процесс.

В проекте любого производства на долю монтажной части проекта приходится около трети всех трудозатрат. Монтажное проектирование осуществляют проектировщики монтажной специальности. Инженер-монтажник выступает одновременно в двух ролях: как архитектор промышленной установки и как конструктор технологических трубопроводов. Насыщенность современных производств трубопроводами высока - стоимость трубопроводов нередко достигает 30% стоимости технологического оборудования.

Монтажное проектирование начинается после разработки технологической схемы процесса. Эта схема отображает стадии технологического процесса и их взаимосвязь. Технологическую схему разрабатывают инженеры-технологи на основании данных технологического регламента. Получив такую схему, инженер-монтажник должен превратить ее в пространственную композицию аппаратов, машин и трубопроводов, помещенную в реальные строительные конструкции. По своему содержанию монтажное проектирование находится на стыке таких дисциплин, как «Процессы и аппараты химических производств», «Основы строительного дела», «Техника безопасности», «Контрольно-измерительные приборы и автоматика», «Сопротивление материалов» и др.



1. Механические расчеты отдельных узлов и деталей основного аппарата

1.1 Расчет толщины обечайки

Для расчета примем, что рассчитываемый аппарат нагружен внешним давлением, так как в рубашку этого аппарата может подаваться пар с давлением 0,6 МПа. Тогда толщину стенки для цилиндрического аппарата, работающего под внешним давлением, можно рассчитать по формуле:

(1.1)

где - наружный диаметр аппарата, м;

P_н -наружное давление, МПа;

Е - модуль упругости материала обечайки, МПа;

l - расчетная длина обечайки, м.

С - расчетная прибавка на коррозию, эрозию, учет минусового допуска, м.

Диаметр аппарата равен 2,0 м. наружное давление равно 0,6 МПа. Примем, что аппарат изготавливают из стали 16ГС. Температура насыщенного пара при давлении 0,6 МПа составляет 159 °С. Для данного материала при данной температуре модуль упругости составляет МПа согласно [1, с. 11, т. 1.1]. Расчетная длина обечайки равна 1,76 м. Прибавку на коррозию и эрозию примем 0,01м.

Формула (1.1) справедлива, если выполняются следующие условия:



(1.2)

(1.3)

где - предел текучести материала обечайки при расчетной температуре, МПа.

Для стали 16 ГС предел текучести при данной температуре равен 200 МПа.

Рассчитаем толщину обечайки по формуле (1.1), м:

Проверим первое условие (1.2):

Это условие удовлетворяется, проверим второе условие (1.3):

Это условие также удовлетворяется, значит толщина стенки рассчитана правильно и составляет 0,024 м.



1.2 Расчет толщины днища

Толщину эллиптического днища под внешним давлением определим по формуле (1.4):

(1.4)

где R - радиус кривизны в вершине днища, м;

К_Э - коэффициент приведения радиуса кривизны, для эллиптического днища равен 0,9 согласно [1, с. 13].

Радиус кривизны определяют по формуле (1.5):

(1.5)

где Н_Э - высота днища без отбортовки, м.

Высота эллиптического днища равна четверти диаметра, т.е. 0,5 м. Тогда радиус кривизны равен, м:

Тогда толщина днища по формуле (1.4), м:



1.3 Выбор штуцеров

В реактор 2-й ступени установки производства циклогексаноноксима подается смесь анон-оксим с первой ступени реакции, раствор сульфата аммония, раствор гидроксиламина и газообразный аммиак. Выводится один поток - реакционная смесь. Следовательно, необходимо подобрать 5 штуцеров. Выбор будем проводить в указанной последовательности:

1. вход анон-оксима;

2. вход раствора сульфата аммония;

3. вход ГАС;

4. вход аммиака;

5. выход продукта.

Будем вести расчет отдельно для каждого вещества по формуле (1.6):

(1.6)

где с_i - плотность соответствующего потока, кг/м³;

G_i - массовый расход потока, кг/с;

щ_i - скорость потока, м/с.

Массовый расход потока за секунду определим по формуле (1.7):

(1.7)

где T - эффективный фонд рабочего времени в год, дни (примем 330 дней);

G_iгод - массовый расход потока в год, кг/год.

1. Плотность смеси анон-оксим равна с₁ = 921,5 кг/м³, скорость потока примем 1м/с по [3, с.14]. Массовый поток по формуле (1.7) равен, кг/с:

Тогда расчетный диаметр штуцера для анон-оксима по формуле (1.6), м:

По таблице [2, с.173, т.10.1] выберем подходящий штуцер:

Штуцер с фланцами стальными плоскими приварными с соединением выступом, ОСТ26-1404-76, Р_у = 0,6 МПа, D_y = 50.

2. Плотность раствора сульфата аммония равна с₂ = 1042 кг/м³, скорость потока примем 1м/с по [3, с.14]. Массовый поток по формуле (1.7) равен, кг/с:

Тогда расчетный диаметр штуцера для раствора сульфата аммония по формуле (1.6), м:

По таблице [2, с.173, т.10.1] выберем подходящий штуцер:

Штуцер с фланцами стальными плоскими приварными с соединением выступом, ОСТ26-1404-76, Р_у = 0,6 МПа, D_y = 50.

3. Плотность раствора гидроксиламина равна с₃ = 1064 кг/м³, скорость потока примем 1м/с по [3, с.14]. Массовый поток по формуле (1.7) равен, кг/с:

Тогда расчетный диаметр штуцера для раствора гидроксиламина по формуле (1.6) равен, м:

По таблице [2, с.173, т.10.1] выберем подходящий штуцер:

Штуцер с фланцами стальными плоскими приварными с соединением выступом, ОСТ26-1404-76, Р_у = 0,6 МПа, D_y = 100.

4. Плотность газообразного аммиака равна с₄ = 0,748 кг/м³, скорость потока примем 15м/с по [3, с.14]. Массовый поток по формуле (1.7) равен, кг/с:

Тогда расчетный диаметр штуцера для газообразного аммиака по формуле (1.6) равен, м:

По таблице [2, с.173, т.10.1] выберем подходящий штуцер:

Штуцер с фланцами стальными плоскими приварными с соединением выступом, ОСТ26-1404-76, Р_у = 0,6 МПа, D_y = 200.

5. Плотность реакционной смеси равна с₅ = 1097 кг/м³, скорость потока примем 1м/с по [3, с.14]. Массовый поток по формуле (1.7) равен, кг/с:

Расчетный диаметр штуцера для реакционной смеси по формуле (1.6), м:

По таблице [2, с.173, т.10.1] выберем подходящий штуцер:

Штуцер с фланцами стальными плоскими приварными с соединением выступом, ОСТ26-1404-76, Р_у = 0,6 МПа, D_y = 125.

В таблице 1.1 приведены рассчитанные диаметры всех штуцеров.

Таблица 1.1 - Сводная таблица штуцеров реактора.

Назначение штуцера	Диаметр условный	Давление условное, МПа
1. Вход анон-оксима	50	0,6
2. Вход раствора сульфата аммония	50	0,6
3. Вход ГАС	100	0,6
4. Вход аммиака	200	0,6
5. Выход продукта	125	0,6

оксимирование капролактам фланец

1.4 Расчет опор

Расчет ведут с учетом совместного действия осевой нагрузки, изгибающих моментов от ветровых и эксцентрических нагрузок, а также с учетом сейсмического воздействия для районов с сейсмической активностью (>7 баллов по 12-бальной шкале).

Т.к. аппарат установлен в здании, то не учитываем нагрузку на опору от ветра. Также не учитываем сейсмическое воздействие.

В качестве материала для изготовления опор примем сталь 16 ГС.

Зададимся толщиной опоры, равной толщине стенки обечайки, т.е. S' = S = =0,024м. Далее проверяем ее на прочность по формуле (1.8):

(1.8)

где у_С - напряжение на сжатие, МПа;

у_И - напряжение от изгиба, МПа;

ц - коэффициент ослабления сварного шва, (ц = 0,9).

Т.к. не учитываем ветровую нагрузку, то у_И = 0.

Напряжения сжатия определим по формуле (1.9):



(1.9)

где G_max - максимальный вес аппарата, МН;

[у] - допускаемое напряжение для материала опоры при расчетной температуре, МПа;

C - конструктивная прибавка на коррозию и эрозию, м;

D - внутренний диаметр вершины конуса;

d - конструктивный диаметр отверстия в опоре, м. Примем равным 0,5 м.

Максимальный вес аппарата находим в условиях гидроиспытания по формуле (1.10):

(1.10)

где G_а - вес аппарата без воды, Н;

G_вода - вес воды, Н;

Н - высота аппарата, м(полная высота равна 2,67м);

- плотность стали, кг/м³ (для марки 16ГС равна 7850 кг/м³);

- плотность воды, кг/м³;

D_нар - наружный диаметр аппарата, м.

Тогда получим максимальный вес, Н:

Теперь проверим опору на прочность по формуле (1.8) и (1.9).

Далее принимаем конструктивный диаметр болтов d_б = 0,03 м и рассчитываем размеры нижнего опорного кольца. Изображение опорного кольца представлено на рисунке 1.1

Рисунок 1.1 - Фрагмент опоры реактора

Внутренний диаметр, м:

(1.11)

Наружный диаметр, м:

(1.12)



Диаметр болтовой окружности, м:

(1.13)

Рассчитаем площадь опорного кольца, м²:

(1.14)

Момент сопротивления опорной площадки кольца, м³:

(1.15)

Площадь поверхности нижнего опорного кольца проверяется на условие:



(1.16)

где М_во - ветровой момент, действующий на аппарат (т.к. аппарат установлен в помещении, то ветровой момент равен 0);

q_д - допускаемые удельные нагрузки на опорную поверхность, МН/м². Для бетона равны 8 МН/м² по [1, с. 49, т. 1.7].

Таким образом имеем:

Расчетная толщина опорного кольца S₁ определяется по формуле (1.17).

(1.17)

Толщина верхнего опорного кольца определяется по формуле (1.18).

(1.18)

Толщина ребра определяется по формуле (1.19).

(1.19)



Выбор этих формул обусловлен тем, что опора данного аппарата слабо нагружена, а также установлена в помещении, что исключает возможность воздействия ветра. Поэтому сложные формулы дают слишком низкие значения.

Количество болтов принимаем 4 штуки.

1.5 Подбор вала перешивающего устройства

Перемешивание применяется для приготовления эмульсий, суспензий, смесей, гомогенизации растворов, а также интенсификации тепло- и массообменных процессов, химических и биохимических реакций.

Наиболее распространенным способом перемешивания в жидких средах является механическое перемешивание при помощи лопастных, якорных, турбинных или пропеллерных мешалок.

Расчет диаметра вала мешалки будем вести по формуле (1.20):

(1.20)

где [ф] - допускаемые напряжения на кручение для материала вала, Па;

М_кр - крутящий момент на валу, Н·м.

Допускаемые напряжения на кручение для стали 16 ГС равны 120 МПа.

Крутящий момент находим по формуле:

(1.21)

где N - номинальная мощность, потребляемая мешалкой, Вт;

щ - угловая скорость вращения мешалки, с^-1.

Согласно ГОСТ 20680 примем угловую скорость вращения мешалки равную 26,2 с^-1.

Номинальная мощность, потребляемая мешалкой, определяется по формуле по [4, с. 63]:

(1.22)

где с - плотность перемешиваемой среды, кг/м³;

n - частота вращения мешалки, с^-1;

d_м - диаметр мешалки, м;

K_N - критерий мощности мешалки

Частота вращения мешалки находится по формуле (1.23), с^-1:

(1.23)

Согласно ГОСТ 20680 примем диаметр мешалки равный 0,45м.

Критерий мощности мешалки определяется по графику [4, с. 403] в зависимости от типа мешалки, симплекса мешалки Г_D и режима перемешивания.

Тип мешалки - турбинный.

Симплекс мешалки определяют по формуле (1.24):

(1.24)

где D_А - внутренний диаметр аппарата, м.

Режим перемешивания определяется числом Рейнольдса, которое рассчитывается по формуле (1.25):

(1.25)

где м - динамическая вязкость перемешиваемой среды, Па·с.

Тогда определим критерий мощности мешалки по графику [4, с. 403], который равен 1,5.

Таким образом мощность по формуле (1.22) равна, Вт:

Крутящий момент по формуле (1.21), Н·м:

Диаметр вала по формуле (1.20), м:

Проверим вал на виброустойчивость, для этого необходимо, чтобы соблюдалось условие [1, с. 54] (1.26):

(1.26)

где щ_кр - критическая угловая скорость, с^-1.

Для консольного вала критическая скорость рассчитывается по следующей формуле:

(1.27)

где Е - модуль упругости материала вала, МПа;

J - экваториальный момент инерции сечения вала, кг·м²;

m - масса вала, кг

l - общая длина вала, м (равна 1,5м);

a -длина вала от крепления до мешалки, м (равна 1,0м).

Массу вала мешалки рассчитаем по формуле (1.28), кг:

(1.28)

Экваториальный момент инерции сечения вала определим по формуле (1.29):

(1.29)

где r - радиус вала, равен 0,0075м, тогда момент инерции равен, кг·м²:

Теперь по формуле (1.27) рассчитаем критическую скорость вращения вала мешалки, с^-1:

Условие (1.26) не удовлетворяется:

Для удовлетворения условия (1.26), примем, что критическая скорость равна 40 с^-1 , тогда подставим формулу (1.29) в формулу (1.27) и выразим из них радиус вала, м:

Тогда диаметр вала примем 0,15м или 15см.

Согласно [5] выбираем мешалку с диаметром вала 0,2м, длинной 1,5м, диаметр мешалки 0,45м.

Все рассчитанные параметры реактора сведем в таблицу 1.2.

Таблица 1.2 - Рассчитанные параметры основного аппарата.

1. Толщина обечайки реактора, м	0,024
2. Толщина днища, м	0,021
3. Толщина опоры аппарата, м	0,024
4. Мощность привода мешалки, кВт	2,331
5. Диаметр вала мешалки, м	0,15
6. Масса вала мешалки, кг	2,214



2. Расчет и подбор холодильника реакционной смеси стадии оксимирования установки получения капролактама

2.1 Тепловой расчет холодильника

Для расчета выбран выносной холодильник для охлаждения реакционной смеси на второй стадии процесса. Реакционная смесь из реактора второй ступени циркулирует в данном холодильнике и подают ее в межтрубное пространство. Захоложенную воду подают в трубное пространство. Это объясняется тем, что межтрубное пространство двухходовом теплообменнике легче чистить, поэтому туда и направляют реакционную смесь, из которой может выкристаллизовываться оксим.

Расчет теплообменника проводят согласно [2].

В начале определим тепловую нагрузку холодильника по формуле (2.1):

(2.1)

где G ₁- расход реакционной смеси в теплообменнике, кг/с (равен 18,423 кг/с);

с - теплоемкость реакционной смеси при средней температуре (при 57,5?С для данной смеси равна 3,88 кДж/(кг·?С));

t_н, t_к - температуры на входе и выходе (85?С и 30?С соответственно).

Тогда тепловая нагрузка равна:

Начальная температура воды 5?С, конечная 35?С, теплоемкость равна 4,232кДж/(кг·?С). Расход захоложенной воды определим по формуле (2.2):



(2.2)

где с - теплоемкость воды при средней температуре, кДж/(кг·?С);

t_н, t_к - температуры на входе и выходе.

Тогда расход равен:

Определим среднелогарифмическую разность температур по формуле (2.3):

(2.3)

где ?t_б, ?t_м - большая и меньшая разности температур теплоносителей, ?С.

Направим потоки в холодильнике навстречу друг другу, т.е противотоком. Изобразим схему движения потоков в теплообменнике на рисунке (2.1).

Рисунок 2.1 - Cхема движения потоков в холодильнике

Из рисунка видно, что ?t_б = 50?С, а ?t_м = 25?С и следовательно средняя разность температур составляет:

Проведем ориентировочный подбор холодильника. Горячий теплоноситель обозначим индексом 1, а холодный - индексом 2.

Примем ориентировочное значение критерия Рейнольдса равное 15000, т.е турбулентный режим.

Примем, что диаметр труб равен 25Ч2 мм согласно ГОСТ 15188-79. Тогда число труб на один ход определим по формуле (2.4):

(2.4)

где n - число труб;

z - число ходов теплообменника;

d - внутренний диаметр труб, мм (равен 21 мм);

м - динамическая вязкость воды, Па·с.

Если примем диаметр труб равный 20Ч2 мм согласно ГОСТ 15188-79, то число труд на один ход равно по формуле (2.4):

Примем ориентировочное значение коэффициента теплопередачи равным 500 Вт/(м²·К), т.к. реакционная смесь в основном состоит из воды.

Тогда ориентировочная площадь теплообмена определяем по формуле (2.5):

(2.5)

Данной площади теплообмена и количеству труб на один ход соответствуют только многоходовые теплообменники. В многоходовых теплообменниках средняя движущая сила несколько меньше, чем в одноходовых, вследствие возникновения смешанного взаимного направления движения теплоносителей. Поправку для средней разности температур определим по формуле (2.6) [1, стр. 46]:

(2.6)

Подставим значения температур и получим:

Тогда средняя разность температур составит, ?С:

Пересчитаем ориентировочную поверхность теплообмена по формуле (2.5):

Согласно ГОСТ 15188-79 выбираем теплообменник со следующими характеристиками: диаметр кожуха D= 1000 мм; диаметр труб 20Ч2 мм; число ходов 2; площадь поверхности теплообмена 643 м².

Проведем уточненный расчет поверхности теплопередачи.

2.2 Подбор и проверочный расчет холодильника

Рассчитаем термические сопротивления стальных труб и загрязнений. На основании [2, стр. 48] тепловая проводимость загрязнений со стороны реакционной смеси равна в среднем 1/r₁ = 5800 Вт/(м²?К); со стороны воды 1/r₁ = 4000 Bт/(м²?К). Теплопроводность стали равна согласно [3, стр. 529] л = 17,5 Вт/(м²?К).

Суммарное термическое сопротивление рассчитывается по формуле (2.7):

(2.7)

где д - толщина стенки трубы, м (равна 0,002м).

Тогда получим:

Уточним среднюю температуру теплоносителей. Для реакционной смеси она равна (30+85)/2=57,5?С, а для воды равна (5+35)/2=20?С.

Для точного расчета необходимо в начале задаться температурой стенки. Примем со стороны горячего теплоносителя температуру стенки равной t_ст1 = 50?С.

Определим режим движения реакционной смеси в межтрубном пространстве холодильника. Для этого рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле (2.8):

(2.8)

где щ₁ - скорость потока в межтрубном пространстве, м/с;

d_н - наружный диаметр труб (равен 20 мм);

с₁ - плотность реакционной смеси, кг/м³ ( равна 968 кг/м³);

м₁ - динамическая вязкость, Па·с (равна 5,6·10^-4 Па·с).

Скорость потока определим по формуле (2.9):

(2.9)



где V₁ - объемный расход реакционной смеси, м³/с;

S_мтр - площадь сечения межтрубного пространства, м²

Объемный расход определим по формуле (2.10):

(2.10)

Площадь сечения межтрубного пространства определим по формуле (2.11):

(2.11)

Тогда получим, что скорость потока равна, м/с:

Тогда критерий Рейнольдса равен:

Таким образом получаем, что режим движения в межтрубном пространстве переходный.

Рассчитаем и другие критерии гидродинамического подобия.

Критерий Прандтля равен:

(2.12)

где с₁ - теплоемкость реакционной смеси при средней температуре, кДж/(кг·?С), равна 3,88 кДж/(кг·?С);

м₁ - вязкость реакционной смеси при средней температуре, Па·с (равна 5,6·10^-4 Па·с);

л₁ - теплопроводность реакционной смеси при средней температуре, Вт/(м·?С), равна 0,251 Вт/(м·?С).

Тогда получим по формуле (2.12):

Критерий Грасгофа:

(2.13)

где v₁ - кинематическая вязкость, м²/с;

в - коэффициент объемного расширения, К^-1, (равен 0,86·10^-3 К^-1);

?t - разность температур на входе и выходе.

Тогда получим по формуле (2.13):

Соотношение , что меньше, чем 8·10⁵, поэтому, согласно таблице 4.4 из [3, стр. 155], для определения критерия Нуссельта воспользуемся графиком, изображенным на рисунке 4.1 в источнике [3, стр. 154]. Согласно данной зависимости определим соотношение (2.14):

(2.14)

где Pr_ст - критерий Прандтля рассчитанный при температуре стенки, т.е. при 50?С. Рассчитаем его по формуле (2.12):

Выразим критерий Нуссельта из выражения (2.14) и рассчитаем его:

Критерий Нуссельта находится по формуле (2.15):

(2.15)

Выразим из этой формулы коэффициент теплоотдачи и рассчитаем его:



Найдём плотность теплового потока, отдаваемого газовой смесью по формуле (2.16), Вт/м²:

(2.16)

Основываясь на том, что какое количество тепла было отдано газовой смесью, такое же количество прошло через стенку, определим t_ст2 :

(2.17)

Скорость воды в трубном пространстве равна:

(2.18)

где G₂ - массовый расход охлаждающей воды, кг/с (равен 32,164 кг/с);

S_тр - площадь сечения одного хода по трубам, м² (равна 0,114 м²);

с₂ - плотность воды при средней температуре, т.е. при 20?С (равна 998кг/м³)

Получим скорость потока равную:

Определим основные критерии подобия.

Критерий Рейнольдса по формуле (2.19):

(2.19)

где d_вн - внутренний диаметр труб, м (равен 0,016 м);

м₂ - динамическая вязкость, Па·с (для воды равна 1,05·10^-3 Па·с при 32,5?С).

Критерий Прандтля по формуле (2.20):

(2.20)

где с₂ - теплоемкость воды при средней температуре, кДж/(кг·?С), равна 4189 Дж/(кг·?С);

л₂ - теплопроводность воды при средней температуре, Вт/(м·?С), равна 0,59Вт/(м·?С).

Тогда получим по формуле (2.19):

Критерий Грасгофа по формуле (2.21):

(2.21)

где v₂ - кинематическая вязкость воды, м²/с (равна 1,052·10^-6);

в₂ - коэффициент объемного расширения, К^-1, (равен 0,198·10^-3 К^-1)

?t₂ - разность температур на входе и выходе (равна 30?С).

Тогда получим по формуле (2.20):

Соотношение что меньше, чем 8·10⁵, поэтому, согласно таблице 4.4 из [3, стр. 155], для определения критерия Нуссельта воспользуемся графиком, изображенным на рисунке 4.1 в источнике [3, стр. 154]. Согласно данной зависимости определим соотношение (2.22):

(2.22)

где Pr_ст - критерий Прандтля рассчитанный при температуре стенки, т.е. при 48,9?С. Рассчитаем его по формуле (2.12):

Выразим критерий Нуссельта из выражения (2.22) и рассчитаем его:

Выразим из формулы (2.15) коэффициент теплоотдачи и рассчитаем его:

Плотность теплового потока от внешней поверхности загрязнений к воде:

(2.23)

Различие значений q₁ и q₂ свидетельствует о том, что принятое в качестве первого приближения значение t_ст1 не соответствует действительному. В данном случае расхождение q₁ < q₂ , следовательно, во втором приближении температуру t_ст1 надо понизить, чтобы тем самым уменьшить значение q₂.

Принимаем температуру стенки t_ст1 = 45 ⁰С.

Найдём плотность теплового потока, отдаваемого реакционной смесью по формуле (2.16), Вт/м²:

Основываясь на том, что какое количество тепла было отдано газовой смесью, такое же количество прошло через стенку, определим t_ст2 по формуле (2.17), ?С:

Плотность теплового потока от внешней поверхности загрязнений к воде определим по формуле (2.23), Вт/м²:

По полученным данным построим график зависимости , представленный на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 - Зависимость q = f(t_ст1)

Окончательно примем температуру стенки равную t_ст1 = 31,6 ⁰С.

Найдём плотность теплового потока, отдаваемого реакционной смесью по формуле (2.16), Вт/м²:

Основываясь на том, что какое количество тепла было отдано газовой смесью, такое же количество прошло через стенку, определим t_ст2 по формуле (2.17),?С:

Плотность теплового потока от внешней поверхности загрязнений к воде определим по формуле (2.23), Вт/м²:

Сравним полученные значения плотностей тепловых потоков:

Различие плотностей тепловых потоков не превышает 5%, поэтому выбранное приближение температуры стенки верно. Рассчитаем теперь среднее значение плотности теплового потока по формуле (2.24):

Определим необходимую поверхность теплообмена по формуле (2.25):

Запас поверхности теплообмена для выбранного теплообменника, с поверхностью теплообмена равной 643 м², составляет:

Параметры принятого кожухотрубчатого теплообменника: F = 643 м², число труб n = 1138, диаметр труб кожуха D = 1000 мм, длина труб 9,0 м, ш20х2 мм, площадь сечения хода по трубам 0,114 м².



2.3 Гидравлический расчет холодильника

Гидравлическое сопротивление межтрубного пространства определяют по формуле [2, стр. 69] (2.24):

(2.24)

где -число рядов труб, омываемых теплоносителем;

- число сегментных перегородок (в данном теплообменнике их нет, т.е. их количество равно 0);

- скорость реакционной смеси в межтрубном пространстве теплообменника (равна 0,089 м/с);

- плотность реакционной смеси в межтрубном пространстве теплообменника (равна 968 кг/м³);

- скорость реакционной смеси в штуцерах для межтрубного пространства (равна 1 м/с).

Число рядов труб приблизительно можно определить по формуле (2.25):

(2.25)

где п - число труб, омываемых теплоносителем (у принятого теплообменника число труб 1138).

Таким образом получаем:

Гидравлическое сопротивление трубного пространства определяют по формуле [2, стр. 69] (2.26):

(2.26)

где л - коэффициент трения;

L - длина труб, м (в принятом теплообменнике равна 9,0 м);

с_тр - плотность воды в трубном пространстве (равна 998 кг/м³);

щ_тр - скорость воды в межтрубном пространстве (равна 0,283 м/с);

z - число ходов по трубам, в принятом теплообменнике 2 хода;

щ_тр - скорость воды в штуцерах для трубного пространства (равна 1 м/с).

Коэффициент трения определим по формуле [2, стр. 69] (2.27):

(2.27)

где е - относительная шероховатость;

Re_тр - критерий Рейнольдса для трубного пространства, равен 4304.

Относительная шероховатость находится по формуле (2.28):

(2.28)

где ? - высота выступов шероховатостей, для стальных труб принимаем 0,2 мм.

Тогда относительная шероховатость равна:

Коэффициент трения по формуле (2.27):

Получим сопротивление трубного пространства по формуле (2.26):

(2.26)

Рассчитанные данные по теплообменнику приведены в таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Рассчитанные параметры теплообменника

Параметр	Значение
1. Площадь поверхности теплообмена, м2	643
2. Число ходов	2
3. Число труб	1138
4. Диаметр кожуха, м	1000
5. Длина труб, м	9,0
6. Диаметр труб, мм	20
7. Толщина труб, мм	2
8. Сопротивление межтрубного пространства, Па	1498,1
9. Сопротивление трубного пространства, Па	55870



3. Расчет и выбор насоса стадии оксимирования производства капролактама для подачи реакционной смеси

В начале произведем выбор трубопровода. На основании [2] примем, что на всасывающем и нагнетательном трубопроводах одинаковая скорость течения реакционной смеси, равная 2 м/с. Тогда диаметр равен, м:

(3.1)

Выберем трубу стальную трубу наружным диаметром 133 мм и толщиной стенки 6мм. Внутренний диаметр равен 133 - 12 = 121мм. Тогда фактическая скорость реакционной смеси в трубе составит, м/с:

(3.2)

Далее определим потери на трение и местные сопротивления. Рассчитаем критерий Рейнольдса по формуле (2.8):

Т.е. режим турбулентный. Примем абсолютную шероховатость равной Д = =2?10^-4 м. Тогда относительная шероховатость по формуле (3.3) равна:

(3.3)

Далее получим:

3,39 10⁵ Re.

Таким образом, в трубопроводе имеет место автомодельное трение, и расчёт коэффициента трения л следует проводить по формуле [1, стр.14]:

(3.4)

Определим сумму коэффициентов местных сопротивлений [1, стр. 14].

Для всасывающей линии:

1) вход в трубу о₁ = 0,5;

2) отводы, коэффициенты А = 1, В = 0,15, о₂ = 1·0,15=0,15.

Сумма коэффициентов местных сопротивлений

Потерянный напор во всасывающей линии находим по формуле (3.5):

(3.5)

где L - длина всасывающей линии, м (равна 12,5 м).

Для нагнетательной линии:

1) отводы, коэффициенты А = 1, В = 0,15, о₁ = 1·0,15=0,15;

2) трубопровод-фороксиматор, состоящий из 10 поперечных перегородок о₂ = 30;

3) выход из трубы о₃ = 1

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии:

Потерянный напор в нагнетательной линии рассчитывается по формуле (3.6), получим:

(3.6)

где ?Р_хол - сопротивление трубного пространства в холодильнике, Па

Общие потери напора по формуле (3.7):

(3.7)

Необходимый напор насоса найдем по формуле (3.8):

(3.8)

где Р₁, Р₂ - давление на входе и выходе системы, Па (они равны между собой и равны атмосферному давлению);

Н_г - геометрический напор, м (т.к. это циркуляционная система, то он равен 0);

Н_ск - скоростной напор, м.

Скоростной напор определим по формуле (3.9), м:

(3.9)

Тогда напор насоса равен, м:

Полезную мощность насоса рассчитаем по формуле (3.10):

(3.10)

где V - объемный расход реакционной смеси, м³/с;

Получим:

Найдем мощность на валу двигателя по формуле (3.11):

(3.11)

где з_пер - к.п.д. передачи (примем 99%);

з_н - к.п.д. насоса (примем 70%).

Получим:

Примем КПД двигателя равный 80% и рассчитаем мощность двигателя:

(3.11)

Выбираем по [6] центробежный насос марки Х100-80-160 с электродвигателем мощностью 11-30 кВт, для которого при оптимальном режиме работы Q = 100 м³/ч, H = 32 м.



4. Компоновка оборудования с элементами трубопроводной обвязки стадии оксимирования производства капролактама

4.1 Спецификация оборудования

Спецификация технологического оборудования приведена в таблице 4.1.

Таблица 4.1 - Спецификация технологического оборудования

Обозначение	Наименование	Кол.	Примечание
1	2	3	4
Э1	Виброэкстрактор	1	D = 2,0/1,2/2,8 м, Н =13,7 м, V = 30 м3, Р макс. расч. = 4 кПа, Т макс.расч = 66 єС
А1	Абсорбер	1	D = 0,6 м, Н = 3,66 м, Р макс. расч. = 4 кПа, Т макс.расч = 88 єС
С1	Сепаратор	1	D = 0,6 м, Н = 1 ,5 м, Р макс. расч. = 2 кПа, Т макс.расч = 35 єС
Ф1	Трубопровод-фороксиматор	1	D = 0,2 м, L = 5 м, 10 турбулизаторов (парагородок)
Р1	Реактор 1-й ступени	1	D = 1,2 м, Н = 1,94 м, V = 2 м3, Р макс. расч. = 0,6 МПа, Т макс.расч = 35 єС
Р2	Реактор 2-й ступени	1	D = 2,0 м, Н = 2,67 м, V = 6,3 м3, Р макс. расч. = 0,6 МПа, Т макс.расч = 100 єС
Р3	Отстойник продукта после 2-й ступени	1	D = 2,0 м, Н = 2,67 м, V = 6,3 м3 Р макс. расч. = 0,6 МПа, Т макс.расч = 100 єС
Р4	Реактор-осушитель	1	D = 2,0 м, Н = 2,67 м, V = 6,3 м3, Р макс. расч. = 0,6 МПа, Т макс.расч = 100 єС
Е1	Отстойник анона и оксима (для подачи)	1	D = 1,0 м, Н = 0,8 м, V = 6,3 м3, Р макс. расч. = 5 кПа, Т макс.расч = 55 єС
Е2	Отстойник продукта после 1-й ступени	1	D = 3,0 м, L = 5,58 м, V = 32 м3, Р макс. расч. = 4 кПа, Т макс.расч = 85 єС
Е3	Дренажная емкость	1	D = 2,8 м, L = 6,45 м, V = 32 м3, Р макс. расч. = 2 кПа, Т макс.расч = 95 єС
Е4	Дренажная емкость (для подачи)	1	D = 1,2 м, Н = 2,0 м, V = 2 м3, Р макс. расч. = 2 кПа, Т макс.расч = 104 єС
Е5	Отстойник после осушителя	1	D = 3,0 м, L = 5, 08 м, V = 25 м3 Р макс. расч. = 2 кПа, Т макс.расч = 95 єС
Е6	Сборник конечного продукта	1	D = 2,0 м, L = 3,9 м, V = 10 м3 Р макс. расч. = 2 кПа, Т макс.расч = 95 єС
Т1	Выносной холодильник реактора 1-й ступени	1	D = 1,0 м, L = 2,5 м, F теплообмена = = 148 м2, диаметр трубок 25х2 мм, количество трубок 752 штук, Р расч. в трубах -0,52 МПа, в межтрубном - 1,80 МПа Т расч. в трубах - 50 0С, в межтрубном- 100 єС
Т2	Выносной холодильник реактора 2-й ступени	1	D = 1,0 м, L = 9,0 м, F теплообмена = = 643 м2, диаметр трубок 20х2 мм, количество трубок 1138 штук, Р расч. в трубах -0,52 МПа, в межтрубном - 1,80 МПа Т расч. в трубах - 20 0С, в межтрубном- 57,5 єС
Н1	Насос отвода сульфата аммония	1	Q = от 19,0 до 45,5 м3/ч, Н = 49 - 42 м ст. ж. N = 17 кВт, n = 2 935 об/м
Н2	Насос циркуляции реакционной смеси на 1-й ступени	1	Q = от 176 до 385 м3/ч, Н = 7 - 12 м ст. ж. N = 17 кВт, n = 970 об/м
Н3	Насос возврата дренажа	1	Q = 7,4 м3/ч, Н = 22 м ст. ж. N = 3 кВт, n = 2 870 об/м
Н4	Насос выдачи продукта из реактора 1-й ступени	1	Q = от 22 до 51 м3/ч, Н = 20,0 - 16,5 м ст. ж. N = 5,5 кВт, n = 1 448 об/м
Н5	Насос циркуляции реакционной смеси на 2-й ступени	1	Q = 160 м3/ч, Н = 49 м ст. ж. N = 55 кВт, n = 2 950 об/м
Н6	Насос возврата сульфата аммония	1	Q = от 4,5 до 11 м3/ч, Н = 20 - 14 м ст. ж. N = 5,5 кВт, n = 2 870 об/м
Н7	Насос выдачи оксима на стадию перегруппировки	1	Q = 20 м3/ч, Н = 31 м ст. ж. N = 7,5 кВт, n = 2 900 об/м



4.2 Основные нормы и правила компоновки оборудования

Под объемно-планировочным решением цеха понимается компоновка цеха в плане и по высоте, включая основное оборудование и строительные конструкции.

Нефтеперерабатывающие, нефтехимические и химические производства обладают рядом специфических особенностей. К ним относятся наличие агрессивных сред, токсичных выделений локального и общего характера, высокая взрыво- и пожароопасность. Эти производства являются, как правило, динамичными: технология их меняется в течение коротких сроков, оборудование модернизируется и часто перемещается в пределах цеха. Все это представляет особые требования к объемно-планировочным решениям [8].

Выделяют три варианта объемно-планировочного решения цеха: открытый, закрытый и смешанный. При открытом варианте цех представляет собой комплекс аппаратов с несущими и обслуживающими конструкциями, расположенными вне зданий (открытые площадки, навесы, постаменты, наружные установки и т.п.). При закрытом варианте цех представляет собой одно или несколько зданий, в которых размещается все оборудование. При смешанном варианте часть оборудования цеха располагается вне зданий, а часть в здании. Это наиболее распространенный вариант компоновки.

Какие же факторы влияют на выбор того или иного варианта?

Взрыво- и пожароопасные производства категорий А, Б следует по возможности делать открытыми. В закрытом объеме, каковым является здание, всегда существует реальная опасность скопления газов. Взрывы в закрытых помещениях влекут за собой тяжелые последствии: большие разрушения, гибель людей и т.д. При отсутствии ограждающих конструкций (кровли и стен) разрушающее действие взрыва значительно ниже. По сравнению с открытым вариантом закрытый имеет ряд дополнительных недостатков: более высокую стоимость строительных сооружений, более сложный монтаж и особенно демонтаж оборудования, громоздкие системы вентиляции и т.д.

Однако есть случаи, когда размещать производство в открытом варианте нельзя и его приходится располагать в закрытом помещении:

- когда по условиям ведения технологического процесса требуется организация постоянных рабочих мест;

- когда предъявляются особые требования к чистоте и влажности окружающего воздуха (производство катализаторов);

- при несовместимости обращающихся веществ с влагой, содержащейся в воздухе (триизобутилатомнний, металлический натрий, калий, литий и другие пирофорные вещества);

- когда аппараты не имеют атмосфероустойчивого исполнения.

В технологическом процессе, как правило, задействованы различные типы аппаратов и машин. Но некоторые типы оборудования (компрессоры, центрифуги, мешалки, фильтр-прессы и т.д.) не имеют атмосфероустойчивого исполнения. Это обстоятельство обуславливает не закрытый, а смешанный вариант компоновки цеха, . когда большая часть аппаратов и машин выносится за пределы зданий, а в зданиях остается только то, что нельзя вынести на улицу. Смешанные варианты объемно-планировочных решений характерны для производств нефтяного и органического синтеза, синтетических каучуков и т.п.

При закрытом варианте компоновки химические производства целесообразно объединять (блокировать) в крупные производственные корпуса, в состав которых входят основные производственные, вспомогательные, административно-бытовые и складские помещения.

Это создает благоприятные условия для организации обслуживания, сокращения численности вспомогательного персонала, протяженности коммуникаций, улучшения общей планировочной структуры здания.

При объединении нескольких производств в одном корпусе важную роль для организации внутреннего пространства играет расстановка технологического оборудования, экономное использование рабочей площади, сокращение протяженности коммуникаций и переходов обслуживающего персонала, осуществление требований техники 6езопасности. Закрытые варианты компоновки типичны для заводов искусственных волокон, резинотехнических изделий, производства шин, пластмасс.

Размещение цеха на генеральном плане должно исключать застойные зоны, обеспечивая условия для естественной продуваемости территории. Здания и сооружения размещаются параллельными рядами («строчечный» принцип), между которыми оставляют широкие (не менее 25-40-ка метров) коридоры - внутриквартальные проезды. Форма зданий, этажерок и постаментов принимается, как правило, прямоугольной. Длина и ширина определяются главным образом технологическими особенностями процесса и габаритами размещаемого оборудования. Однако есть ограничения, обусловленные требованиями противопожарных норм (возможностью проезда пожарных машин, длиной пожарных рукавов и т.п.). Приведем примеры таких ограничений.

Площадь наружной установки с производствами категорий А, Б не должна превышать при высоте до 30 м - 5200 л/, при высоте 30 м и более - 3000 м². При большей площади установка делится на секции, разрыв между которыми должен быть не менее 15-ти метров. Если высота наружной установки и оборудования не превышает 18 метров, ее ширина не должна быть более 42-х метров; в противном случае предельная ширина должна быть уменьшена до 36-ти метров.

При компоновке цеха аппараты и внутрицеховые трубопроводы размещаются таким образом, чтобы обеспечить вход сырья и выход готовой продукции с одной стороны. Располагая цех на генеральном плане, стремятся к тому, чтобы вход сырья и выход продукции находился со стороны коммуникационного коридора.

При прокладке внутрицеховых эстакад в противопожарном разрыве между объектами цеха, эстакада может располагаться без разрыва к одному объекту, а величина противопожарного разрыва между эстакадой и другим объектом принимается от крайнего трубопровода эстакады.

Компрессорное отделение. Основное оборудование, размещаемое в нем, - компрессоры различных типов и межступенчатая аппаратура. Это, как правило, тяжелое оборудование с динамическими нагрузками, не имеющее атмосфероустойчивого исполнения. Поэтому располагается оно в одноэтажных зданиях, оборудованных мостовыми кранами. Размеры в плане определяются исходя из количества машин и аппаратуры, их габаритов, размера обслуживающих площадок для монтажа и демонтажа оборудования в процессе эксплуатации. Высоту здания назначают исходя из максимальной высоты оборудования, размеров, необходимых для его сборки-разборки, принятой высоты подкранового пути, типа и размеров мостового крана, а также диаметров воздуховодов приточной и вытяжной вентиляции, которой оборудуется компрессорный зал. Компрессоры располагаются вдоль зада в один или два ряда. Перед фронтом компрессоров оставляется проход, позволяющий с помощью мостового крана перемещать самую крупную деталь или целый агрегат от монтажной площадки до места установки. Монтажные площадки располагаются по длине зала через каждые 60-l00 метров. Площадь монтажной площадки определяется габаритами самой крупной детали компрессора или аппарата. Размеры обслуживающих площадок компрессора обычно указываются в установочных чертежах завода-изготовителя. Вокруг каждой машины должно быть оставлено место, необходимое для ее удобного обслуживания.

Насосное отделение. Делают закрытым (в зданиях) и полуоткрытым (под этажерками и навесами). Компоновка зависит от технологии производства, климатических и других условий. В полуоткрытом варианте по периметру ставится боковое ограждение от атмосферных воздействий (ветер, снег). Ограждающая площадь составляет не более 50 % общей площади закрываемой стороны. Длина насосной для легко воспламеняющихся и горючих жидкостей ограничивается противопожарными требованиями (не более 90 метров). При большей длине через каждые 90 метров устраиваются разрывы или глухие несгораемые стены.

Аппаратные отделения. Могут размещаться в закрытых зданиях, на открытых установках и в смешанном варианте. Габаритные размеры определяются по тем же правилам, что и для компрессорных и насосных.Площадь, занимаемая обвязкой, может достигать 40-50 % общей площади производственного помещения (особенно при большом числе регулирующих клапанов и запорной арматуры).

При расположении аппаратов колонного типа в ряд (обычно вдоль цеха) расстояние между ними определяется из условия необходимости размещения в нижней части колонн кипятильников или иной аппаратуры, закрепляемой как на самих колоннах, так и на постаментахв непосредственной близости от колонн. Чтобы разместить указанную аппаратуру,расстоянии между осями колонн должно быть порядка 3-4 диаметров. Минимальное расстояние в свету, необходимое для окраски и осмотра колонн, составляет 1,2-1,5 метра, если только пространство между колоннами не загромождено трубопроводами. В поперечном направлении расстояние от оси колонного аппарата до наружной оси цеха или установки обычно колеблется в пределах от 9-ти до 13-ти метров. Это обусловлено размерами фундаментов под колонные аппараты и несущие строительные конструкции зданий и наружных установок. Устройство общих фундаментов здесь нецелесообразно из-за большой разницы в усадках; для того, чтобы уменьшить влияние усадки соседних фундаментов, между краями их подошв должно быть расстояние порядка одного метра.

Проектировщику для объемно-планировочного решения цеха требуются следующие данные?

1) Технологическая схема. Эта схема определяет типы и количество аппаратов, направление технологических потоков, возможную группировку оборудования и его распределение по отделениям в соответствии с основной технологической цепочкой.

2) Данные о характере и размерах оборудования, закладываемого в проект. Необходимы для определения габаритных размеров зданий и сооружений цеха, наиболее удобных мест для обслуживания машин и аппаратов, способов монтажа, типов строительных конструкций и нагрузок на них (статических и динамических).

Оборудование может быть стандартным, т.е. выпускаемым серийно (данные берутся из каталогов), и новым нестандартным (колонны, реакторы, сборники и т.п.). Для нового оборудования делается эскизная проработка, позволяющая ориентировочно определить его габаритные размеры, вес и т.д.

3) Географические данные: расчетная отрицательная температура, господствующее направление ветра и другие климатические условия. Данные необходимые для проектирования зданий и сооружений цеха, выбора оборудования и материалов, расположения зданий и сооружений в пределах квартала и решения других инженерных задач.

4) Категория производства пo взрыво- и пожароопасности. Необходима при решении вопросов компоновки производственных помещений, размещения оборудования в плане и по высоте, как внутри здания, так и на наружных установках, назначения противопожарных разрывов, размещения коммуникаций, проходов и проездов, путей эвакуации, и· т.д.

5) Санитарная труппа производства. Используется для определения площадей и состава бытовых помещений, вентиляционных камер, шлюзов и т.д.

6) Особенности генерального плана. Влияют на состав помещений цеха. Мастерские, бытовые помещения, лаборатории, операторные, тепловые пункты, электроподстанции и т.п., можно располагать в отдельных зданиях, обслуживающих несколько цехов. Тогда из состава помещений· цеха их можно исключить.

7) Способы монтажа и демонтажа технологического оборудования. Нередко имеют решающее значение при определении разрывов между корпусами, конструкции производственных зданий, размещении подъездных путей.

На основании пер...