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+ Q_p = Q₂+ Q_п+ Q_о(23),

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

Энтальпия паров сырья и продуктов реакции:

q_T = (24),

где q_T – 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:

M_c=∑ M_ic_i (25)

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

M_п.р=∑ M_ic_i (26)

М_с=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 М_с=55

=0, 568

а=0, 001828+0, 00132∙ =0, 0004

∙ 0, 0004=0, 570 г/м³

Для продуктов реакции при М_п.р.=72

=0, 626

а=0, 001828+0, 00132∙ =0, 0008

∙ 0, 0008=0, 630 г/м³

Для полимердистиллята при М_п.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, 8Т_s- 359) ; (33)

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

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

T_s=∑ T_ix_i (34),

где Т_i-температура кипения i-го компонента, К; x_i – мольная доля этого компонента.

Результаты занесем в таблицу 2.7.

Среднемолекулярные температуры кипения

Таблица 2.7

Компоненты	Состав, x_i_-мол. доли,	Температура кипения, T_i К	T_ix_i
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	-	T_s=267.69	T_s=308.54

Приведенные давления сырья и продуктов реакции найдем по формуле:

(35),

где Р_р – рабочее давление, кПа; Р_кр- критические давления сырья и продуктов реакции, определяем по графику [13]. Для сырья Р_кр=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:

а_сырья=(1, 8*267, 69-359)*0, 57=70, 02

Т_{кр. сырья}=355, 1+0, 97*70, 02-0, 00049*70, 02²=420, 6К

Для продуктов реакции:

а_п.р.=(1, 8*308, 54-359)*0, 63=137, 74

Т_{кр. 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. Ф_с=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:

q_р_i=n(Δ Hc_исх.в-в)- Δ Hc_прод.р.(36),

где n-стехиометрический коэффициент; Δ Hc_исх.в-в-теплота сгорания исходных веществ, Δ Hc_прод.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, Δ Hc кДж/мол
С₃Н₆ i-С₄Н₈ н-С₄Н₈ С₆Н₁₂ С₈Н₁₆	1927, 7

Тепловой эффект при полимеризации олефинов:

2(С₃Н₆)→ С₆Н₁₂

q_р1=2*1927, 7-3620=235, 4 кДж/моль

2(i-С₄Н₈)→ С₈Н₁₆

q_р2=2*2706-5355=85 кДж/моль

2(н-С₄Н₈)→ С₈Н₁₆

q_р3=2*2720-5355=57 кДж/моль

На образование 9618, 75 кг полимердистиллята расходуется 1125кг С₃Н₆, 2675кг i-С₄Н₈, 5818, 75 кг н-С₄Н_8. или соответственно 11, 7; 27, 81 и 60, 49 мол.%. Средний тепловой эффект реакции полимеризации равен:

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

В пересчете на 1 кг полимердистиллята:

q_р=

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 Q_о, которое необходимо отводить при помощи хладагента, определяется из уравнения теплового баланса реактора.

Q₀= Q₁+ Q_р– (Q₂+ Q_п) (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:

Т_к=Т_ср- ∆ Т (41),

где Т_ср- 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

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·c_p·(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); c_p – 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; d_в-внутренний диаметр трубки, м.

u= кг/(м² с)

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

c_p= =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:

с_ср=∑ x_ic_i (47),

где x_i – мольная доля компонента; c_i – теплоемкость этого компонента, Дж/кг•К.

с_ср=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 T_г.ср.=(1, 08+1, 01)/2= 1, 05 и среднем приведенном давлении коэффициент сжимаемости равен 0, 6 [13].

Средняя молекулярная масса в реакторе:

м³/с

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

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)

7 10^-6 95, 1 = 665, 5 10^-6Па

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}·q^{0, 7}(56),

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

q= (57),

где -поверхность теплообмена одного реактора.

= d_в l Z (58)

= 0, 05 9 187=264, 5 м²

q= =1447, 7 Вт/м²

а₂=0, 352· ^{0, 176}·1447, 7^{0, 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:

Температура кипения воды:

Т_к=463-7, 5=455, 5 К

Насыщенному водяному пару такой температуры соответствует давление π _{π =}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 Р_рас=3, 6 МПа;

- температура t = 250 ^оС;

- диаметр аппарата D = 1400 мм.

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 7 8 9 Следующая ⇒