123807 (Проект производства формалина), страница 17

С этой целью находим физико – химические константы исходной и конечной газовой смеси – плотности ρ_г [кг/м³], динамические коэффициенты вязкости μ_г [кг/мч], коэффициенты диффузии D [см²/с].

Значение плотностей и вязкостей компонентов смесей при начальной температуре и температуре в зоне реакции в таблице 18.1.

Коэффициенты диффузии находим последующим соотношениям, определяемым общими закономерностями диффузии газов. Для диффузии газа А в газ В.

(18.7)

где, υ_А, υ_В – мольные объемы газов А и В, [см³/моль];

М_А, М_В – молекулярные массы газов А и В;

Р – общее давление.

Для расчета принимаем следующие значения мольных объемов [см³/моль], [ 1, с. 288, таб. 6.3]:

СН₃OH – 37; N₂ – 31,2;

CH₂O – 29,37; H₂ – 14,3;

H₂O – 18,9; CO – 29,6;

O₂ – 25,6; CO₂ – 34.

Коэффициенты диффузии D_Асм для газа А, диффундирующего через смесь газов (В + С), вычисляем по формуле:

(18.8)

где, N_A, N_B, N_C – мольные доли компонентов в газовой смеси;

D_AB, D_AC – коэффициенты диффузии для бинарных газовых смесей.

Рассчитанные таким путем коэффициенты диффузии метанола и других компонентов исходного и конечного газов процесса окисление метанола в бинарных газовых смесях, а так же значение коэффициентов диффузии метанола D_СН3ОН [см²/с] в начальной и конечной газовой смеси в таблице 18.3.

Таблица 18.3 – Коэффициенты диффузии

Среднюю вязкость газовой смеси рассчитываем по уравнению:

(18.9)

где, N₁, N₂, N₃, … - мольные доли компонентов в газе.

Получаем μ_r [Па г]

при 100^оС – 7 10^-2;

при 650^оС – 8,75 10^-2.

Для расчета величин ВЕП и Z принимаем, что слой сеток серебряного катализатора подобен слою насадки колей Рашига с d = h = 0,22 мм (аналогично диаметру проволоки) для таких колец эквивалентный диаметр

(18.10)

Удельная поверхность колец S_уд = 7,8419*10³ м²/м³.

Для расчета ВЕП определяем значения критерия Рейнольдца Re и диффузного критерия Прандтля Pr:

(18.11)

(18.12)

Подставляя наши данные, имеем:

Коэффициент массопередачи находим по формуле:

(18.13)

По нашим данным находим ВЕП:

(18.14)

Число единиц переноса массы Z:

(18.15)

где, β – изменение числа молей в результате реакции рассчитанное на 1 моль метанола;

С_{СН3ОНвх}, С_{СН3ОНвых} – концентрация метанола в газе, на входе и выходе из реактора, мол. доли.

Принимаем Z ≈ 1, тогда высота слоя катализатора равна:

Н = ВЕП Z = 0,41 = 0,4 м. (18.16)

Приняв коэффициент запаса φ_з = 1,5 (с учетом того, что доступная для реагентов поверхность слоя из колец больше приблизительно в 1,5 раза поверхности проволочных сеток), получим:

Н = 0,4 1,5 = 0,6 м.

При диаметре проволоки 0,22 мм достаточно 0,6/0,22 = 2,73 сетки.

На практике берут с запасом, хотя в работе нужны 4 сетки. Берут еще одну сетку, т.к. верхняя сетка быстро прогорает вследствии уноса серебра.

17.2 Технологический расчет подконтактного холодильника

Целью расчета является определение запаса поверхности теплопередачи при новой производительности. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.

Подконтактный холодильник предназначен для быстрого охлаждения контактного газа до температуры 140 – 200°С во избежании разложения образовавшегося формальдегида.

Для установки выбран стальной вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с противоточным движением теплоносителя в межтрубном пространстве и контактного газа в трубном пространстве. Теплоноситель – паровой конденсат (Р = 0,3,2 МПа, t = 133°С).

В холодильнике предусмотрено шахматное расположение труб (по вершинам правильных шестиугольников). Температурные напряжения, вызываемые разностью температур между кожухом и трубами, могут привести к разрушению аппарата; во избежании этого на корпусе установлен линзовый компенсатор.

Аппарат снабжен штуцером выхода контактного газа D_y = 800 мм, Р = 0,6 МПа, шестью штуцерами входа конденсата D_y = 100 мм, Р_y = 1,0 МПа и шестью штуцерами выхода пароводяной эмульсии D_y = 200 мм, Р_y = 1,0 МПа.

Принимаем агрегатную схему компоновки оборудования – контактный аппарат смонтирован непосредственно на подконтактном холодильнике.

Исходные данные:

Расход охлаждаемого контактного газа 25302,74/3600 = 7,03 кг/с.

Расход охлаждающей жидкости – воды: 8,7 кг/с.

на входе:

температура контактного газа 650^оС;

температура воды 90^оС.

на выходе:

температура контактного газа 180^оС;

температура воды 123^оС;

Температурная схема процесса:

650 → 180

123 ← 90

∆t_б = 527^оС ∆t_м = 90^оС

(18.17)

Средняя температура контактных газов:

(18.18)

Теплофизические параметры контактных газов при 415С в таблице 18.4.

Таблица 18.4– Теплофизические параметра контактных газов при 415^оС

Плотность компонентов определена по формуле:

(18.19)

Плотность смеси по правилу аддитивности. Вязкость компонентов взята из [4, с. 430 таб. 6].

Вязкость смеси определена по формуле:

(18.20)

где, m₁…m₂ - объемные доли компонентов;

М₁…М_n – молекулярные массы компонентов;

Т_кр1…Т_кр.n - критические температуры.

Теплоемкость смеси:

(18.21)

где, Q – количество теплоты, отданное контактными газами при охлаждении от 650^оС до 180^оС.

где, G_см – расход контактных газов, кг/с;

t_вх, t_вых – температуры входа и выхода контактных газов, ^оС.

Определим критерий Прандтля.

Наибольший процент в смеси составляют многоатомные газы. Принимаем приблизительное значение Pr для смесей такое же, как для трехатомных газов, Pr = 0,8 [ 2, с. 187].

Теплопроводность смеси (λ_см)

(18.22)

Так как диаметр реактора равен 3,0 м, принимаем диаметр обечайки подконтактного холодильника D_хвн = 3,0 м с трубами d - 38×2 мм и рассчитаем необходимое количество труб:

(18.23)

где, К – коэффициент заполнения трубной решетки, принимаем К = 0,7;

t – шаг.

t = 1,25 d_н = 1,25 0,038 = 0,048 м;

Скорость движения газа:

(18.24)

(18.25)

переходный режим