123807 (Проект производства формалина), страница 16

Тепловой эффект реакции дегидрирования – (-12782,14 Вт).

Тепловой эффект реакции окисления – 24837901,83 Вт.

в) теплосодержание спирто-воздушной смеси при 100^°С определяем из уравнения:

(17.4)

где, Ср – теплоемкость, [Дж/кг К] [1 с. 471];

G – массовый расход, кг/ч [таблица 13].

Q_с.в.с. = 3299796 Вт.

Расход:

а) теплосодержание контактных газов при 650^оС

(17.5)

где, Ср – теплоемкость, Дж/кг К;

Q_к.г. = 26505323 Вт.

б) материальный баланс стадии контактирования:

Q_с.в.с. + Q_p = Q_к.г. + Q_пот;(17.6)

Q_p = -12782,14 + 24837901,83 = 24825119,69 Вт.

Теплопотери определяются по разности:

Q_пот = Q_с.в.с. + Q_р – Q_к.г;_. (17.7)

Q_пот = 3299796 + 24825119,69 – 26505323 = 1619592,69 Вт;

что, составит:

от прихода тепла.

2. Количество воды на охлаждение контактных газов в подконтактном холодильнике: теплосодержание газов на входе в холодильник, Q_к.г. = 26505323 Вт.

Температуру газов на входе из холодильника принимаем 180^оС, определяем теплосодержание газов при 180^оС.

Всего: i = 5416347,534 Вт.

Количество теплоты, принятой водой в холодильнике составляет:

Q_охл = 26505323 – 5416347,534 = 21088975,47 Вт.

Отсюда определяем расход воды на охлаждение:

t_вх = 90^оС (конденсат);

t_вых = 123^оС (пар Р = 0,2МПа).

(17,8)

G_H2O = 37966,56 кг/ч = 10,5 кг/с.

3. Абсорбция

Приход:

а) количество тепла приходящего с контактными газами:

Q_к.г. = 5416347,53 Вт;

б) тепло приходящее с оросительной водой при 20°С:

(17.9)

где, Ср – теплоемкость воды (кДж/кг К).

в) количество тепла процесса абсорбции:

(17.10)

Расход

а) количество тепла, уходящее с выхлопными газами, при 20°С:

(17.11)

где, G – массовый расход (кг/ч);

Ср – удельная теплоемкость (кДж/кг К); t – температура (° С).

б) количество тепла, уходящее в окружающую среду (принимаем 2 % от прихода тепла):

в) количество теплоты, принятое хладоагентом теплообменников (встроенных и выносных)

(17.12)

где, Q_ф.с. – количество тепла, уходящее с формалином-″сырцом″ и рассчитывается по формуле:

(17.13)

4. Ректификация

Тепловой баланс:

(17.14)

где, Q_ф.с. – тепло формалина-″сырца″;

Q₈ – тепло формалина стандартного;

Q₉ – тепло формалина-″сырца″; Q_рект. – тепло процесса ректификации.

17. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОСНОВНОГО АППАРАТА

17.1 Технологический расчет реактора

Главной целью технологического расчета секции контактирования является определение высоты слоя катализатора, при которой может быть обеспечена новая производительность. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.

Процесс каталитического окислительного дегидрирования метанола в формальдегид происходит в реакторе поверхностного контакта при Р = 0,76 10⁵ Па.

Реактор (контактный аппарат) предназначен для окислительного дегидрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребряном катализаторе. Для расчета выбран вертикальный стальной цилиндрический аппарат, смонтированный непосредственно над верхней трубной решеткой подконтактного холодильника. В нижней части аппарата на свободно лежащую решетку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. Над слоем катализатора предусмотрено распределительное устройство, имеющее 24 щели размером 200 500 мм для равномерного распределения потока спиртовоздушной смеси. Разогрев катализатора производят двумя нихромовыми электроспиралями (d = 0,4 м, U = 220 В).

Аппарат снабжен штуцером входа спиртовоздушной смеси D_y = 600 мм, Р_y = 0,6 МПа, одним предохранительным устройством D_y = 350 мм, Р_y = 0,6 МПа, люком-лазом D_y = 500 мм, Р_y = 1,6 МПа.

Определяющим эталоном является диффузия.

Состав исходного газа [таблица 16.3]

CH₃OH –50,84%; O₂ –13,84%;

CH₂O – 0,09%; N₂ –34,07%.

H₂O – 1,16 %;

Состав контактного газа:

CH₃OH –22%; СО – 0,33%;

CH₂O – 23,24%; Н₂ – 0,58% ;

H₂O – 12,76 %; N₂ – 37,9%.

СО₂ – 3,19%;

Плотности и вязкости компонентов смеси в таблице 18.1.

Таблица 18.1 – Плотности и вязкости компонентов смеси

Вязкости взяты [4, с. 294, таб. 10] и [7, с. 596, рис. 5]

Плотности веществ определяются по формуле:

(18.1)

Среднее значение молекулярных масс М и плотностей газов определяют по правилу аддитивности:

(18.2)

(18.3)

где, n – доли компонентов смеси;

М^'_см = 0,5084 32 + 0,0009 30 + 0,016 18 + 0,1384 32 + 0,3407 28 = 16,27 + 0,027 + 0,288 + 4,4288 + 9,5396 = 30,53;

М^"_см = 0,22 32 + 0,2324 30 + 0,1276 18 + 0,0319 44 + 0,0033 28 + 0,0058 2 + 0,379 28 = 7,04 + 6,972 + 2,2968 + 1,4036 + 0,0924 + 0,0116 + 10,612 = 28,43;

ρ^'_см = 0,5084 1,04 + 0,0009 0,925 + 0,016 0,588 + 0,1384 1,04 + 0,3407 0,913 = 0,5271 + 0,0008325 + 0,009408 + 0,143936 + 0,3110591 = 0,9923 [кг/м³];

ρ^"_см = 0,22 0,4216 + 0,2324 0,3952 + 0,1276 0,237 + 0,0319 0,605 + 0,0033 0,368 + 0,0058 0,026 + 0,379 0,368 = 0,092752 + 0,09184448 + 0,0302412 + 0,0192995 + 0,0012144 + 0,0001508 + 0,139472 = 0,3749 [кг/м³].

На входе (100^оС): М = 30,53;

ρ₁₀₀ = 0,9923.

На выходе (650^оС): М = 28,43;

ρ₆₅₀ = 0,3749.

Степень превращения метанола в формальдегид 0,9067.

Температура исходной смеси 100^оС, температура выхода смеси в подконтактный холодильник 650^оС.

Материальный баланс реактора [таб. 16.3]

Приход спирто-воздушной смеси [м³/ч] составляет:

(18.4)

V = 25302,74/0,9923 = 25499,08 м³/ч.

Зададимся линейной скоростью исходной газовой смеси ω = 0,8 м/с

Определяем диаметр реакционной зоны:

(18.5)

где, S – 0,785 D² – площадь поперечного сечения реакционной зоны, м²;

D – диаметр реактора, м.

Принимаем D = 3,00 м.

Площадь сечения реактора S_P = 0,785 3,0² = 7,065 м².

Реакторы с катализатором в очень тонком слое в виде металлических сит используют для проведения реакций, протекающих с большой скоростью.

Установлено, что скорость процесса определяется скоростью диффузии от контактной поверхности катализатора. Это явление было описано Андрусовым, который сравнивая количество реагирующего метанола и метанола, проникающего путем диффузии до поверхности серебряных сит, установил, что они равны между собой.

Количество метанола, диффундирующего к поверхности катализатора, можно рассчитать, если известен коэффициент переноса массы, допустив при этом, что концентрация метанола на поверхности контакта рана нулю, т.е. скорость реакции настолько велика, что метанол непосредственно достигает контакта с серебром.

Расчет проводится для слоя катализатора с сечением 1 см² и толщиной l образованный рядами сеток из серебряной проволоки.

Характеристика катализатора из серебра (сита):

проволоки ТУ 48 – 1 – 112 – 85;

толщина проволоки, мм – 0,22;

число ячеек на 1 см² – 225.

Для определения коэффициентов диффузии устанавливаем с помощью материального баланса состав конечной газовой смеси. Рассчитаем производительность реактора на 1 м² поверхности катализатора.

Производительность по метанолу составит:

Массовая скорость всей газовой смеси:

Результаты расчета в таблице 18.2.

Таблица 18.2 – Конечный состав газовой смеси

Для определения высоты слоя катализатора воспользуемся методом расчета скорости каталитического процесса, лимитируемого массообменом.

По этому методу определяем высоту единицы переноса СН₃ОН (ВЕП) и число единиц переноса (Z) по формулам:

(18.6)

где, S_уд – удельная поверхность катализатора, [м²/м³];

k_М – коэффициент массопередачи, [м/ч];

P_r – критерий Прандля .