123807 (Проект производства формалина), страница 18

(18.26)

(18.27)

коэффициент теплоотдачи для воды в межтрубном пространстве.

Принимаем теплообменник с поперечными перегородками в межтрубном пространстве. Расстояние между перегородками равно 0,9 м. Площадь поперечного сечения между соседними соединениями соседних перегородок, считая его по диаметру кожуха.

S_{м тр}=D h (t-d) [1, с. 64]; (18.28)

S_{м тр}=3,0 0,9 (0,048 – 0,038) = 0,577 м².

Скорость движения воды при поперечном обтекании:

(18.29)

Средняя температура воды:

Теплофизические параметры воды при t_ср=106,5^оС в таблице 18.5.

Таблица 18.5 – Теплофизические параметры воды при t_ср=106,5^оС

(18.30)

(18.31)

d_э = 0,0334 м [1, стр. 81].

(18.32)

(18.33)

- переходный режим

Nu = 0,24 Re^0.6 Pr^0,43; (18.34)

Pr = 4,23 10³ 226 10^-6/0,684 = 1,397; (18.35)

Nu = 0,24 2819,79^0,6 1,397^0,43 = 32,56;

(18.36)

Коэффициент теплопередачи:

(18.37)

где r_ст – термическое сопротивление стальной сетки и ее загрязнений, м²К/Вт.

∑r_ст = r_{загр.К.Г.} + r_загр.В. (18.38)

Принимаем

[2, табл. ХХХ] (18.39)

∑r_см = 0,00041 м²К/Вт;

Поверхность теплообмена:

(18.40)

С учетом запаса 10% F = 1160 м², L_тр = 5 м.

Расстояние между трубными решетками:

(18.41)

где Z – число ходов, Z = 1.

Принимаем l₁ = 4 м.

Общая высота холодильника:

Н = l₁ + h_1; (18.42)

где, h₁ – высота нижней камеры, м.

принимаем h₁ = 0,8 м.

Н = 4 + 0,8 = 4,8 м.

18. ГИДРАЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Целью расчета является определение величины гидравлического сопротивления.

Исходные данные:

внутренний диаметр обечайки – 3 м;

количество труб – 24,75 d = 38×2 мм;

длина – 5 м;

диаметр внутренний входного штуцера – 0,15 м;

диаметр внутренний выходного штуцера – 0,6 м;

количество перегородок в межтрубном пространстве – 3 (шт).

Расход воды – 8,7 кг/с при t_ср 106,5^оС, ρ = 854 кг/м³.

Расход контактного газа – 7 кг/с при t_ср = 415^оС, ρ = 0,487 кг/м³.

Высота слоя катализатора – 0,6 мм.

Общее гидравлическое сопротивление определим по формуле:

∆Р = ∆Р_к.ап. + ∆Р_тр, (19.1)

где, ∆Р_к..ап. - гидравлическое сопротивление слоя катализатора, Па;

∆Р_тр – гидравлическое сопротивление трубного пространства подконтактного холодильника, Па.

(19.2)

где, f – функция Re, для турбулентного режима и насыпной насадки f = 3,8/Re^0,2;

ε – порозность слоя, ε = 0,4;

g₀ – удельная массовая скорость газа, рассчитанная на сечение пустого аппарата, кг/м²с.

(19.3)

ρ_г – плотность газа, кг/м³;

g – ускорение свободного падения – 9,81 м/с;

Re – 4238,19 [технологич. pасчет].

(19.4)

∆Р_тр = ∆Р₁ + ∆Р₂, Па(19.5)

где, ∆Р₁ – потеря давления на входе в трубки, в трубках, на выходе из них, Па;

∆Р₂ – потеря давления на входе в выходной патрубок, Па.

(19.6)

Коэффициент сопротивления на входе в трубку принимаем ε₁ = 0,5 d = 38×2 мм, Re = 4238,19.

Относительная шероховатость:

(19.7)

Размер выступов шероховатости принимаем равным 0,1 мм.

Коэффициент трения λ для Re = 4238,19 и l/d = 0,0029 находим

[7, с. 445], λ = 0,045.

Коэффициент сопротивления на входе из трубок принимаем 0,5 – ε_n.

(19.8)

(19.9)

∆Р_тр = 117,98 + 572,3 = 690,28 Па;

∆Р = 3,43 + 690,28 = 693,71 Па.

Определение гидравлического сопротивления межтрубного пространства подконтактного холодильника [1, с. 446, рис. 3]:

(19.10)

где, D – внутренний диаметр кожуха, м;

n – число перегородок в межтрубном пространстве;

ω – скорость движения жидкости, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, d_э = 0,0334;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

λ – коэффициент трения, λ = 0,6 [1, с. 446].

Затраты давления на подъем охлаждающей жидкости:

(19.11)

∆P_под = = 112304,88 Па;

∆Р = ∆Р_м.тр. + ∆Р_под. = 26,42 + 112304,88 = 112331,3 Па. (19.12)

19. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Цель расчета – определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию аппарата за счет установочной механической прочности, плотности расчетных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

19.1 Обоснование конструкции основного аппарата

Реактор (контактный аппарат поз.Р1) предназначен для окислительного дегидрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребряном катализаторе. Реактор представляет собой стальной вертикальный цилиндрический аппарат, разделенный на две секции: верхнюю (секция контактирования) и нижнюю (подконтактный холодильник). В нижней части секции контактирования на свободно лежащую решетку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. В этой секции происходит, непосредственно, синтез формальдегида. Разогрев контактной массы, при пуске, до температуры 300÷350°С, при которой начинается реакция превращения метанола в формальдегид, осуществляется включением электрозапала, представляющего собой три нихромовые спирали (диаметром 0,4 мм), уложенные поверх слоя катализатора. Дальнейший подъем температуры происходит за счет выделяющегося тепла реакций. Секция контактирования снабжена штуцером для подвода метаноло-воздушной смеси, люком-лазом (для загрузки и выгрузки катализатора). В связи с тем, что метаноло-воздушная смесь взрывоопасна, на случай аварийных ситуаций, секция контактирования снабжена, также, двумя взрывными мембранами. Для контроля температуры в слое катализатора имеются два штуцера, предназначенных для подсоединения датчиков температуры.

Синтез формальдегида протекает с выделением тепла при температурах 550÷700°С. При таких температурах формальдегид неустойчив и возможно его необратимое разложение, поэтому требуется быстрое охлаждение (закалка) контактных газов до температуры не выше 200°С. ПО этой причине непосредственно под верхней секцией контактного аппарата (в нижней секции) смонтирован теплообменник (подконтактный холодильник). Подконтактный холодильник представляет собой кожухотрубчатый одноходовой теплообменник, по трубному пространству которого движутся контактные газы, а в межтрубном пространстве происходит кипение водного конденсата. Для равномерной подачи конденсата и отвода водяного пара имеется по шесть штуцеров, расположенных радиально, соответственно в нижней и верхней частях межтрубного пространства. В нижней части холодильника имеются: штуцер для отвода контактных газов, люк-лаз (для регламентных работ), дренажный штуцер. Для компенсации температурных напряжений на корпусе подконтактного холодильника предусмотрен линзовый компенсатор. Контактный аппарат устанавливается на несущие балки металлоконструкции с помощью юбочной цилиндрической опоры.

19.2 Выбор материала основных элементов аппарата

На выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов химической промышленности влияет ряд факторов, таких как:

- агрессивность среды, с которой контактирует материал;

- температура;

- давление;

- стоимость материала;

- легкость его обработки и т.д.

Главными из этих условий являются агрессивность среды и температура.

В контактном аппарате рассматриваемой конструкции можно выделить три группы деталей и узлов: детали, соприкасающиеся с контактным газом и метаноло-воздушной смесью (обечайка, крышка и днище, трубы подконтактного холодильника, трубные решетки т.д.); детали, соприкасающиеся с водяным паром и конденсатом (штуцера для подвода конденсата и отвода пара, трубчатка подконтактного холодильника и т.д.); детали, находящиеся в контакте только с внешней средой (монтажные штуцера, опора и т.д.).

Контактный газ является агрессивной средой и имеет достаточно высокую температуру, до 700°С, поэтому узлы и детали, соприкасающиеся с ним, следует изготовлять из жаропрочных материалов с высокой коррозионной стойкостью. Этим условиям удовлетворяют высоколегированные стали типа 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632 – 61). Эта сталь обладает хорошими прочностными свойствами, жаропрочна при температурах 700°С, характеризуется высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, технологична в обработке, хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, хорошо сваривается всеми видами сварки и не требует обязательной термической обработки изделия после сварки. Единственный недостаток этого материала – высокая стоимость [17, c.79].

Другая группа деталей и улов находится в контакте с водяным паром и конденсатом при температурах порядка 100÷150°С. Вода является менее агрессивной средой по сравнению с контактным газом, поэтому для изготовления узлов и деталей, контактирующих с водой, можно использовать стали с меньшей коррозионной и жаростойкостью, такие как углеродистые или низколегированные стали. В конструкции действующих контактных аппаратов для изготовления деталей контактирующих с водой применяется низколегированная сталь марки 09Г2С (ГОСТ 5520 – 62). Саль этой марки характеризуется повышенной прочностью и ударной вязкостью, хорошо деформируется и обрабатывается резанием, легко сваривается всеми видами сварки, однако, неустойчива во многих агрессивных средах. Использование этой стали выгоднее и с финансовой точки зрения в виду ее дешевизны. [17, c.69].

Детали, находящиеся в контакте только с внешней средой, следует изготовлять из возможно более дешевых материалов, обладающих, однако, достаточной механической прочностью. В конструкции действующего контактного аппарата для изготовления такого рода деталей используется углеродистая сталь Ст.3сп. (ГОСТ 380 – 60). Сталь этой марки характеризуется хорошим сочетанием механических свойств, позволяющим применять ее для изготовления ответственных деталей и узлов, хорошо обрабатывается резанием и давлением, хорошо сваривается всеми видами сварки, однако, как и сталь марки 09Г2С неустойчива во многих агрессивных средах [17, c.68].

В качестве прокладочного материала в действующих контактных аппаратов используется паронит марки ПОН-Б (ГОСТ 481 – 80). Этот материал может использоваться в агрессивных средах при рабочих давлениях среды до 6 МПа и температурах до 500°С [17, c.240], следовательно, выбор его оправдан.

19.3 Расчет диаметра патрубков

Подбор патрубков и фланцев будем проводить по условному проходу и условному давлению.

Расчет диаметра патрубков рассчитывается по формуле:

(20.1)

где, G – расход продукта, кг/ч;