Архитектура Аудит Военная наука Иностранные языки Медицина Металлургия Метрология
Образование Политология Производство Психология Стандартизация Технологии


Тепловой и механический расчёт

Основного оборудования

Тепловой баланс реактора

Давление в реакторе при работе на катализаторе Полинасфа-80 равно 30-40 кгс/см2.

Температура на входе в реактор 453К.

Уравнение теплового баланса реактора

Q1 + Qp = Q2 + Qп + Qо (23),

где Q1- приход тепла с сырьем; Qр- приход тепла при образовании полимердистиллята; Q2- расход тепла с продуктами реакции; Qп- потери тепла в окружающую среду (принимаем 200кВт); Q2- расход тепла, отводимый хладагентом.

Энтальпия паров сырья и продуктов реакции:

qT = (24),

где qT – энтальпия потока при его температуре и давлении, кДж/кг;

энтальпия потока при его температуре и атмосферном давлении, кДж/кг;

- поправка на энтальпию паров кДж/кг.

Обычно температура на выходе из реактора на 12-25 К выше температуры на входе в реактор [13]. Принимаем 20К, тогда температура на выходе составит 473К.

Для определения энтальпии потока при его температуре и атмосферном давлении необходимо знать относительную плотность при температуре 288К.

По данным таблицы 6 средняя молекулярная масса сырья и продуктов реакции:

Mc=∑Mici (25)

Мс=44∙0,0076+42∙0,0605+56∙0,107+56∙0,2468+58∙0,5623+72∙0,0015=55

Mп.р=∑Mici (26)

Мс=44∙0,0098+56∙0,0,0157+58∙0,7172+72∙0,0015+116,555∙0,2378=72

По формуле Мамедова найдем относительные плотности сырья, продуктов реакции и полимердистиллята:

(27)

(28),

где а –средняя температурная поправка относительной плотности на один К, определяемая по формуле Кусанова:
а=0,001828+0,00132∙ (29)

Для сырья при Мс=55

=0,568

а=0,001828+0,00132∙ =0,0004

∙0,0004=0,570 г/м3

Для продуктов реакции при Мп.р.=72

=0,626

а=0,001828+0,00132∙ =0,0008

∙0,0008=0,630 г/м3

Для полимердистиллята при Мп.д.=116,5

=0,704

а=0,001828+0,00132∙ =0,001

∙0,001=0,709 г/м3

Для определения энтальпий сырья и продуктов реакции при их температурах и давлении 35 кгс/см2 необходимо знать поправки на энтальпию паров

(30),

где Т-температура потока, К; Ф- коэффициент, зависящий от приведенных и критических параметров соответствующего потока, определяется по графику [10]; М- средняя молекулярная масса потока.

Приведенные температуры сырья и продуктов реакции:

(31),

где для сырья =473К; температуры сырья и продуктов реакции.

Критические температуры найдем по формуле:

=355,1+0,97∙а-0,00049∙а2 (32),

а = (1,8Тs - 359) ; (33)

где Тs-среднемолекулярная температура кипения сырья и продуктов реакции, К.

Среднемолекулярные температуры кипения сырья и продуктов реакции определим по правилу аддитивности:

Ts=∑Tixi (34),

где Тi-температура кипения i-го компонента, К; xi – мольная доля этого компонента.

Результаты занесем в таблицу 2.7.

 

Среднемолекулярные температуры кипения

Таблица 2.7

Компоненты Состав, xi -мол. доли, Температура кипения, Ti К Tixi
сырье Продукты реакции Сырье Продукты реакции
С3Н8 С3Н6 i-С4Н8 н-С4Н8 С4Н10 С5Н12 Полимердистиллят 0,0076 0,0605 0,108 0,2466 0,5629 0,015 - 0,0098 - - 0,0157 0,7172 0,0195 0,2378 225,4 266,15 266,4 272,5 309,7 1,75 13,64 28,74 65,69 153,23 4,64 - 2,26 - - 4,18 202,61 6,03 93,46
Сумма 1,00 1,00 - Ts=267.69 Ts=308.54

 

Приведенные давления сырья и продуктов реакции найдем по формуле:

(35),

где Рр – рабочее давление, кПа; Ркр- критические давления сырья и продуктов реакции, определяем по графику [13]. Для сырья Ркр=3,6*106Па; для продуктов реакции 3,35*106Па

На основе данных таблицы 7 найдем критические и приведенные температуры сырья и продуктов реакции.

Для сырья:

асырья=(1,8*267,69-359)*0,57=70,02

Ткр. сырья=355,1+0,97*70,02-0,00049*70,022=420,6К

Для продуктов реакции:

ап.р.=(1,8*308,54-359)*0,63=137,74

Ткр. п.р.=355,1+0,97*137,74-0,00049*137,742=467,6К

Зная приведенные и критические параметры температуры и давления сырья и продуктов реакции найдем по графику значения коэффициента Ф. Фс=2.4, Фп.р.=4.5, тогда подставив значения в уравнение 30, получим:

Для составления теплового баланса реактора необходимо знать тепловой эффект реакции. Найдем его по следствию из закона Гесса:

qрi=n(ΔHcисх.в-в)- ΔHcпрод.р. (36),

где n-стехиометрический коэффициент; ΔHcисх.в-в-теплота сгорания исходных веществ, ΔHcпрод.р-теплота сгорания продуктов реакции.

Теплоты сгорания полимеризующихся С3Н6, i-С4Н8, н-С4Н8, а также образующихся С6Н12 и С8Н16 приведены в таблице 2.8

Теплоты сгорания углеводородов

Таблица 2.8

Углеводород Теплота сгорания при 293К, ΔHc кДж/мол
С3Н6 i-С4Н8 н-С4Н8 С6Н12 С8Н16 1927,7

 

Тепловой эффект при полимеризации олефинов:

2(С3Н6)→ С6Н12

qр1=2*1927,7-3620=235,4 кДж/моль

2(i-С4Н8)→ С8Н16

qр2=2*2706-5355=85 кДж/моль

2(н-С4Н8)→ С8Н16

qр3=2*2720-5355=57 кДж/моль

На образование 9618,75 кг полимердистиллята расходуется 1125кг С3Н6, 2675кг i-С4Н8, 5818,75 кг н-С4Н8. или соответственно 11,7; 27,81 и 60,49 мол.%. Средний тепловой эффект реакции полимеризации равен:

qр=235,4*0,117+85*0,2781+57*0,6049=93,96 кДж/моль

В пересчете на 1 кг полимердистиллята:

qр=

Количество тепла, выделившегося при образовании полимердистиллята:

(37),

где - количество образовавшегося п полимердистиллята, кг/ч

Энтальпия сырья при температуре 453К и давлении 35кгс/см2равна 702,4 кДж/кг, тогда равен

Энтальпия продуктов реакции при температуре 473К и давлении 35кгс/см2равна 653 кДж/кг, тогда равен

Количество тепла Qо, которое необходимо отводить при помощи хладагента, определяется из уравнения теплового баланса реактора.

Q0= Q1+ Qр – (Q2+ Qп) (38)

Q0= 4878,47+2154,9-(4534+200)=2299,37кВт

 

Данные по теплотам сведем в таблицу 2.9

 

 

Тепловой баланс реактора

Таблица 2.9

Потоки Количество, кг/ч Температура, К Энтальпия, кДж/кг Количество тепла, кВт
Приход Сырье Тепловой эффект реакции   -   -   702,4 -   4878,47 2154,9
Сумма - - 7033,37
Расход Продукты реакции Потери Хладагент   - -   - -   - -   2299,37
Сумма - - 7033,37

 

Количество хладагента

Чтобы не допускать перегрева и снижения активности катализатора, в межтрубное пространство вводится водяной конденсат, который, частично испаряясь, снимает тепло реакции. Необходимое количество водяного конденсата, определяется по формуле:

(39),

где -количество водяного пара, образующегося в реакторе, кг/ч; 0,2-константа, принятая, исходя из практических данных, доля испаряемого водяного конденсата.

Количество водяного пара, образующегося в реакторе:

(40),

где r-теплота парообразования насыщенного водяного пара.

Для определения теплоты парообразования необходимо знать температуры кипения воды в межтрубном пространстве:

Ткср - ∆Т (41),

где Тср- средняя температуры в зоне реакции, К; ∆Т – разность между температурой в зоне реакции и температурой кипения воды в межтрубном пространстве, К.

Средняя температура в зоне реакции равна

К

Разность между средней температурой потока газов, движущихся в трубах и температурой кипения воды в межтрубном пространстве определяется по формуле:

(42),

где k- коэффициент теплоотдачи, Вт/м2•К; -поверхность теплообмена одного реактора, м2; q-удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.

(43),

где -коэффициент теплоотдачи от газов, движущихся через слой катализатора в трубках, к стенкам трубок, Вт/(м2•К); = 0,0006 (м2·K)/Вт – тепловое сопротивление загрязнения внутренней поверхности трубок, принимается как для светлых нефтепродуктов; -толщина стенки трубки, м; -58,2 Вт/(м•К)-коэффициент теплопроводности стальных трубок; – 0,000073 (м2•К)/Вт-тепловое сопротивление загрязнения наружной поверхности трубок; коэффициент теплоотдачи к кипящей воде Вт/(м2•К).

Коэффициент теплоотдачи по эмпирической зависимости Бика:

а1=u·cp·(2,58·Re-2/3·Pr-2/3+0,094· Re-1/5·Pr-3/5) (44),

где u-массовая скорость реагирующей смеси, отнесенная к единице поперечного сечения трубок реактора, кг/(м2·с); cp – средняя теплоемкость реагирующей смеси, Дж/кг·К; Re-критерий Рейнольдса; Pr- критерий Прандтля.

Массовая скорость реагирующей смеси

u= (45),

где N-количество реакторов; Z- количество трубок в реакторе; dв-внутренний диаметр трубки, м.

u= кг/(м2 с)

Среднюю теплоемкость реагирующей смеси определим по известному составу сырья (таблица 3). Теплоемкость полимердистиллята рассчитаем по формуле: cp= (46),

cp= =2228 Дж/(кг К)

Теплоемкости остальных компонентов продуктов реакции берутся из справочника [13]. Средние теплоемкости реагирующей смеси приведены в таблице 2.10.

Теплоемкости углеводородов

Таблица 2.10

Компонент Теплоемкость
С3Н8 н-С4Н8 С4Н10 С5Н12 Полимердистиллят

 

Средняя теплоемкость реагирующей смеси равна:

сср=∑xici (47),

где xi – мольная доля компонента; ci – теплоемкость этого компонента, Дж/кг•К.

сср=0,0098•2015+0,0157•1895+0,7172•2027+0,0195•2023+0,2378•2228=

=2063,6Дж/кг•К

Критерий Рейнольдса

Re= (48),

где w- скорость газа в свободном сечении трубы, м/с; диаметр частиц, м; v-кинетическая вязкость газа, м2/с.

Скорость газа в свободном сечении трубы:

w= (49),

где объемнаый расход газа, м2/с.

(50),

где коэффициент сжимаемости газа; средняя молекулярная масса газа в реакторе, давление в реакторе, кгс/см2

При средней приведенной температуре в реакторе, равной Tг.ср. =(1,08+1,01)/2= 1,05 и среднем приведенном давлении коэффициент сжимаемости равен 0,6 [13].

Средняя молекулярная масса в реакторе:

м3

w= м/с

Для нешарообразных гранул катализатора диаметр принимают равным диаметру шара поверхностью, равной средней поверхности катализатора.

 

(51),

где – поверхность гранулы катализатора, м2.

Гранулы катализатора Полинасфа 80 имеют форму цилиндра диаметром d=0,0045 м и высотой h=0,006м.

Поверхность гранулы катализатора:

(52)

м2

м

Кинематическая вязкость газа при температуре Т=463 равна 10-6 м2/с [13].

Re = = 15

 

Критерий Прандтля:

(53),

где – средняя теплоемкость реагирующей смеси; динамическая вязкость, Па - коэффициент теплопроводности газа, Вт/(м .

(54),

где p-плотность газа, определяемая по формуле:

(55)

3

7 10-6 95,1 = 665,5 10-6 Па

теплопроводность газа в реакторе при Т=463 равна =0,0365 Вт/(м [13].

37,6

Подставим получившиеся значения в формулу 36.

а1=3,15·2228·(2,58·15-2/3·37,6-2/3+0,094· 15-1/5·37,6-3/5)=308,8 Вт/(м2·К)

Коэффициент теплоотдачи к кипящей воде рассчитаем по формуле

а2=0,352· 0,176·q0,7 (56),

где = 3,43 106 Па – давление в реакторе; q-удельная тепловая нагрузка, Вт/м2.

q= (57),

где -поверхность теплообмена одного реактора.

= dв l Z (58)

= 0,05 9 187=264,5 м2

q= =1447,7 Вт/м2

а2=0,352· 0,176·1447,70,7=811,4 Вт/м2·К

Подставим получившиеся значения в формулу 43:

Вт/м2•К

Разность между средней температурой потока газов в трубках и температурой кипения воды в межтрубном пространстве равна:

К

Температура кипения воды:

Тк=463-7,5=455,5 К

Насыщенному водяному пару такой температуры соответствует давление ππ=1,13·106 Па [14] и теплота парообразования r=1996 кДж/кг [13].

Количество водяного пара:

=691,3 кг/ч

Количество водяного конденсата

 

Механический расчет основного оборудования

Расчет толщин корпуса и днища

В текущий момент для проведения процесса полимеризации пропан-пропиленовой и бутан-бутиленовой фракций на установке полимеризации (29/3) ЗАО «РНПК» используется также 6 реакторов. Таким образом, мы увеличим производительность реакторов по получаемому полимердистилляту без увеличения количества основного оборудования. Текущие реакторы рассчитанны на 88 кг/см2 (трубный пучок) и 36 кг/см2 (давление в корпусе), принимаем по данным из паспорта технологического оборудования.

Целью расчета является проверка толщин элементов реактора напрочность от внутренних давлений на давление, при котором будет вестись эксплуатация реактора с новым катализатором.

 

Исходные данные:

- -давление расчетное Ррас=3,6 МПа;

- температура t = 250 оС;

- диаметр аппарата D = 1400 мм.

Последнее изменение этой страницы: 2016-03-17; Просмотров: 52; Нарушение авторского права страницы


lektsia.com 2007 - 2017 год. Все права принадлежат их авторам! (0.083 с.) Главная | Обратная связь