Способ получения циклогексанона методом дегидрирования циклогексанола

Дальше газожидкостная смесь (ГЖС) из ВН попадает на разделение в сепаратор С-3 в затворную секцию под уровень жидкости. В сепараторе С-3 установлен датчик уровня рабочей жидкости LISА/420, связанный с регулирующим клапаном 420-4 на линии откачки избытка рабочей жидкости.

Газы из сепаратора С-3 через огнепреградитель (О) выводятся на утилизацию. Рабочая жидкость из сепаратора С-3 направляется в кожухотрубчатый теплообменник Т-2. Температура на линии выхода рабочей жидкости из Т-2 измеряется приборами TR/118. Далее насосом Н-20 направляется вновь в ВН.

4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1 Материальный расчет стадии дегидрирования

С учетом основной и побочных реакций составим диаграмму материальных потоков (рис.5.1.) для реактора (КД на технологической схеме).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис.5.1. Диаграмма материальных потоков

G цг-ол, Gцг-он - циклогексанол, циклогексанон, поступающие в реактор

Gцг-он, G цг-ол, Gцг-сен, Gвода, Gприм - потоки циклогексанона, циклогексанола, циклогексена, воды, примесей;

G Н2, G цг-ол, Gцг-сен - потоки водорода, циклогексена, циклогексанола, находящиеся в реакционном водороде.

Таблица 4.1 Материальный баланс производства циклогексанона

наименование	молярная масса, кг/моль	массовая доля, %	кмоль	массовые потоки, кг/час
				100%
Поступило:
1.Анол-ректификат, в том числе
циклогексанол	100,16	98,02	49,82	4990,30
циклогексанон	98,15	1,98	1,04	101,90
всего		100,00		5092,20
Получено:
1, Анон-сырец, в том числе
циклогексанол	100,16	34,85	17,44	1746,60
циклогексанон	98,15	63,20	32,27	3167,40
циклогексен	82,1	0,62	0,38	31,00
вода	18,01	0,20	0,57	10,20
примеси		1,13		56,70
всего		100,00		5011,90
2.Реакционный водород
водород	2	99,35	31,35	62,70
циклогексен	82,1	0,50	0,19	15,50
циклогексанол	100,16	0,15	0,021	2,10
всего		100		80,30
итого				5092,20

По данным таблицы 1.1 рассчитываем степень конверсии циклогексанола.

Хцг-ла = Fцг-ла0 - Fцг-ла / F цг-ла0 = 49,82-17,438 / 49,82 = 0,65 (4.1)

где Fцг-ла0 , Fцг-ла - мольные потоки циклогексанола на входе в реактор и на выходе из него.

Рассчитываем селективности реакций по целевому и побочным продуктам.

ФАi = Fi - Fi0 / (?i / ?А) *FА,0*ХА ; (4.2)

где ФАi - селективность по i-ому веществу для исходного соединения А,

Fi - Fi0 - мольные потоки i-го вещества до и после реакции

FА,0 - мольный поток реагента А перед реакцией

ХА - степень конверсии А

?i, ?А - стехеометрические коэффициенты перед А и i- ым продуктом в данной реакции

Фан-олан-н = 32,271-1,038 / 1*49,82*0,65 = 0,964 - селективность циклогексанола по циклогексанону

Фан-олцг-сен = 0,378-0 /1*49,82*0,65 = 0,0117 - селективность циклогексанола

по циклогексену

Фан-олН2О = 0,566-0 / 1*49,82*0,65= 0,0175 - селективность циклогексанола по воде.

Найдем селективность в полученном реакционном водороде:

Фан-олН2 = 32,2-0 / 1*49,82*0,65 = 0,994 - селективность циклогексанола по Н2

Фан-олцг-сен = 0,189 -0 /1*49,82*0,65 = 0,00584

Мощность проектируемого цеха должна составлять 50000тонн в год. Дегидрирование циклогексанола в циклогексанон непрерывный процесс.

Рассчитываем фонд рабочего времени реактора:

Z = (365-0-0-15)*24=8400ч.

Тогда часовая производительность цеха составит :

50000/8400 = 5,9524тонн/ч = 5952,4 кг/ч

Исходя из уравнения основной реакции, находим требуемый расход циклогексанола

Х ОН 5952,4 О

+ Н2^ (4.3)

100,16 98,15

Х=100,16*5952,4 / 98,15 = 6074,298 кг/ч

Выход циклогексанона составляет 50%,

(Хцг-на= 50%)

С учетом вышеизложенного, часовой расход 100% циклогексанола составит

Gцг-ла=6074,298/0,5=12148,596 кг/ч

Расход технического циклогексанола ректификата составит 12148,296/0,9802=12393,997 кг/ч

Примесей в сырье: 12393,997-12148,596=245,401 кг/ч

Расходуется 65% массовых анола. Проскок анола составляет 35% массовых (при 65% конверсии), следовательно Gцг-ла (100%)*0,35=12148,596*0,35=4252,0086 кг/ч

Приведем расчет всех материальных потоков изображенных на диаграмме

По основной реакции образуется:

1. циклогексанон сырец, в том числе: циклогексанон, циклогексанол, циклогексен, вода, примеси

1.1 Gцг-н = Gцг-л* Хцг-н *Мцг-н/Мцг-ла = 12148,596*0,5*98,15/100,16 = 5952,3996 кг/ч (расход циклогексанона-сырца)

2. Водород, который включает: водород, циклогексен, анол

2.1 Gн2 = Gцг-н*Мн2 / Мцг-на = 5952,3996*2/98,15 = 121,292 кг/ч (расход реакционного водорода)

Итого: поток продуктов реакции составит

Gпрод= Gцг-н + Gн2 = 5952,3996+121,292= 6073,691 кг/ч

По основной реакции расходуется циклогексанола:

Gцг-л = Gцг-л* Хцг-н = 12148,596*0,5 = 6073,691 кг/ч ( приход анола-ректификата)

По побочным реакциям образуется: циклогексен и вода

Gцг-сен = Gцг-л * Хцг-сен *Мцг-сен / Мцг-ла = 12148,596*0,00761*82,06/100,16 = 75,744 кг/ч

Gн2о = Gцг-сен* Мн2о/1 Мцг-на =75,744*18,02/82,06=16,633 кг/ч

Итого: 75,744+16,633=92,377 кг/ч

На побочную реакцию расходуется циклогексанола :

Gцг-л = Gцг-л* Хцг-сен = 12148,596*0,00716 = 92,451 кг/ч

ПРИХОД

На основную реакцию требуется 6073,691 кг/ч анола-ректификата. В него входит:

1) циклогексанол - 98,02%

6073,691 - 100% Х=5953,432 кг/ч

Х - 98,02%

2) циклогексанона - 1,98%

6073,691 - 100% Х=120,259 кг/ч

Х - 1,98%

РАСХОД:

В результате реакции образовалось:

1. 5952,3996 кг/ч циклогексанола-сырца

В его состав входят:

1) циклогексанон - 63,2%

5952,3996 - 100%

Х - 63,2% Х=3761,917 кг/ч

2) циклогексанол - 34,85%

5952,3996 - 100% Х=2074,41 кг/ч

Х - 34,85%

3) циклогексен - 0,62%

5952,3996 - 100% Х=36,905 кг/ч

Х - 0,62%

4) Вод а - 0,2%

5952,3996 - 100% Х=11,905 кг/ч

Х - 0,2%

5) примеси - 1,13%

5952,3996 - 100% Х=66,750 кг/ч

Х - 1,13%

1. Расходуется водорода - 121,292 кг/ч

В его состав входят:

1) водорода - 99,35%

121,292 - 100% Х=120,504 кг/ч

Х - 99,35%

2) циклогексен - 0,5%

121,292 - 100% Х=0,606 кг/ч

Х - 0,5%

3) циклогексанол - 0,15%

121,292 - 100% Х=0,182кг/ч

Х - 0,15%

Сведем полученные величины в таблицу материального баланса

Таблица 4.2 Материальный баланс цеха дегидрирования

наименование	молярная масса, кг/моль	массовая доля, %	кмоль	массовые потоки, кг/час
				100%
Поступило
1.Анол-ректификат, в том числе
циклогексанол	100,16	98,02	59,43	5952,22
циклогексанон	98,15	1,98	1,24	121,47
итого		100		6073,69
Получено:
1, Анон-сырец, в том числе
циклогексанол	100,16	34,85	20,71	2074,41
циклогексанон	98,15	63,2	38,33	3761,92
циклогексен	82,1	0,62	0,45	36,91
вода	18,01	0,2	0,66	11,91
примеси		1,13		67,26
всего		100		5952,40
2. Реакционный водород
водород	2	1,984	60,25	120,50
циклогексен	82,1	0,01	0,007	0,61
циклогексанол	100,16	0,003	0,002	0,18
всего				121,29
итого				6073,69

4.2 Материальный расчет стадии ректификации

Состав смеси: циклогексан, циклогексанон, циклогексанол, спирты, эфиры.

Для дальнейшего расчета принимаем исходную смесь, включающая в себя циклогексанон и циклогексанол.

Циклогексанон-82%

Циклогексанол -18%

Состав дистиллята: Циклогексанон - 97,43%

Циклогексанол - 2,57%

Состав кубовой жидкости: Циклогексанон -10,00%

Циклогесканол - 90,00%

Схема материальных потоков



Рис.4.2. Схема материальных потоков

Fa-количество и состав исходной смеси

W,аw - количество и состав кубовой жидкости

Р,ар - количество и состав дистиллята

Ф,ар - количество и состав флегмы

G,ар - количество и состав паровой фазы

Определение количественно - качественного состава кубовой жидкости:

Таблица 4.3. Количественно-качественный состав кубовой жидкости

Компонентный состав	Молекулярная масса, кг/моль	Массовая доля, %	кг/с	м3/с	? кг/м3
Циклогексанон	98,15	10	0,198	2,54 10-4	779
Циклогексанол	100,16	90	1,783	18,85 10-4	946
Всего		100	1,981	21,39 10-4	929,3

Определение количества исходной смеси и дистиллята:

Уравнение материального баланса:

(4.3.)

(4.4.)

Определение качественно-количественного состава смеси:

Таблица 4.4. Качественно-количественный состав исходной смеси

Компонентный состав	Молекулярная масса ,кг/моль	Массовая доля, %	кг/с	м3/с	? кг/м3
Циклогексанон	98,15	82	9,422	120,95 10-4	779
Циклогексанол	100,16	18	2,068	21,79 10-4	946
Всего		100	11,49	142,74 10-4	895,76

Определяем качественно-количественного состава дистиллята:

Таблица 4.5 Качественно - количественный состав дистиллята

Компонентный состав	молекулярная масса,кг/моль	Массовая доля,%	кг/с	м3/с	? кг/м3
Циклогексанон	98,15	97,43	9,48	121,7 10-4	779
Циклогексанол	100,16	2,57	0,029	0,0306 10-4	946
Всего		100	11,49	122,01 10-4	779,5

Сводная таблица материального баланса.

Таблица 4.6 Материальный баланс

ПРИХОД	РАСХОД
Компонентный состав	кг/с	Компонентный состав	кг/с
Исходная смесь		Дистиллят
Циклогексанон	9,422	Циклогексанон	9,48
Циклогексанол	2,068	Циклогексанол	0,029
		Кубовая жидкость
		Циклогексанон	0,198
		Циклогексанол	1,783
ВСЕГО	11,49	ВСЕГО	11,49

4.3 Тепловой баланс

4.3.1 Тепловой расчёт колонны дегидрирования

Рис.4.3. Диаграмма тепловых потоков реактора

ПРИХОД ТЕПЛА

Q1- тепло вносимое в реактор с анолом-ректификатом

Q2-тепло вносимое в реактор с дымовыми газами;

РАСХОД ТЕПЛА

Q3-тепло, уносимое с аноном-сырцом

Q4-тепло, отводимое из реактора с водородом

Q5- тепло, отводимое из реактора с дымовыми газами

Q6- потери тепла

Q7- тепло на реакцию

Таблица 4.7 Расчет теплоты образования и коэффициентов а, в, с, в уравнении для циклогексанола методом структурных единиц

№п/п	Структурная формула вещества и типовые числа атомов А и В	кДж/моль	Дж/ моль°С	Дж/ моль°С	Дж/ моль°С
1	2	3	4	5	6
	циклопентанол	-77,4	10,96	345,89	-103,43
	Увеличение кольца	-38,9	-4,35	80,75	-24,23
	Замещение на группу ОН	-199,6	-	-	-
циклогексанол	-315,9	6,61	426,64	-127,66
	циклопентанол	-77,4	10,96	345,89	-103,43
	Увеличение кольца	-38,9	-4,35	80,75	-24,23
	Замещение группы на =О	-55,2	21,0	-276,48	126,4
циклогексанон	-171,5	27,61	150,16	-1,26
	циклопентанол	-77,4	10,96	345,89	-103,43
	Увеличение кольца	-38,9	-4,35	80,75	-24,23
	Замещение группы на 1=1	137,2	5,56	-53,09	19,96
циклогексен	20,9	12,17	33,55	-107,7

ПРИХОД ТЕПЛА

Теплосодержание газовой смеси, поступающей в колонну дегидрирования с анолом-ректификатом:

с анолом Q= G *C* t

t=210°С С=1,89 кДж/кг град [ 19]

Q= 5952,22*1,89*210=2250290,09 кДж/ч

С аноном t=210°С С=0,41*4,19=1,72 кДж/кг 0С [19 ]

Q= 1,72*121,47*210=43643,26 кДж/ч

Q1= 2293933,35 кДж/ч =637·10-3кВт (4.5)

2. с дымовыми газами C=1,1 кДж/кг 0С [19 ]

Q2= G *1,1* 480= 528G (4.6)

РАСХОД ТЕПЛА

3. Теплосодержание реакционной смеси выходящей из колонны дегидрирования:

С аноном t=260°С С=2,13 кДж/кг 0С [ 19]

Q= 2,13*260*3761,92=2081292,14 кДж/ч

С анолом t=260°С С=2,2 кДж/кг 0С [19 ]

Q= 2,2*260*2074,41=1186562,52 кДж/ч

С циклогексеном t=260°С С=1,243 кДж/кг 0С [19 ]

Q= 36,91*260*1,243=1192,4,155 кДж/ч

С водой t=260°С С=1,41 кДж/кг 0С [19]

Q= 11,91*1,41*260=4356,10 кДж/ч

Общее количество тепла:

Q3= 3284134,92 кДж/ч = 912,23·10-3кВт

4. С дымовыми газами t=420°С С=1,093 кДж/кг 0С [19]

Q4= G*1,093*420=459*G кДж/ч

С водородом t=260°С С=14,435 кДж/кг 0С [19 ]

Q= 120,5*14,435*260=452251,683 кДж/ч

С циклогексеном t=260°С С=1,243 кДж/кг 0С [19 ]

Q= 0,61*260*1,243=197,1398 кДж/ч

С циклогексанолом t=260°С С=2,18 кДж/кг0С [ 19]

Q= 2,18*1,0873*260=102,024 кДж/ч

Q5= 452550,85 кДж/ч =125,71·10-3кВт (4.7)

5. Потери тепла в окружающую среду [20]

Удельный тепловой поток определим по уравнению

(4.8)

Где: tf1- температура рабочей среды в аппарате, °С

tf2- температура окружающего воздуха, °С

L1-коэффициент теплоотдачи от рабочей среды к стенке аппарата

L2- коэффициент теплоотдачи от изоляции в окружающую среду

?из - толщина изоляции, м

?из - теплопроводность изоляции

L2= 8,4+0,06(tw2 - tf2) tw2- температура поверхности изоляции,°С

Принимаем tw2=50°С, tf2= 20°С

L2= 8,4+0,06(50-20)=10,2ккал/м2ч г=42,7кДж/м2 ч град=11,85 Вт/м2град (4.9)

Изоляция-диатомовый кирпич.

Теплопроводность изоляции

?из =0,116+0,00023t

?из=0,116+0,00023 =0,1975 Вт/м2град (4.10)

Удельный тепловой поток

q=L2(tw2-tf2)

q=11,85(50-20)=355,5 Вт/м (4.11)

Толщина изоляции: ?из ==0,2444 м,

принимаю ?из=250 мм (4.12)

Потери в окружающую среду

Q6=q F

F=562м2- поверхность реактора ( по существующему реактору

Q6 = 355.5*562=186993 Вт=19979,1 кДж/ч = 5,55·10-3кВт (4.13)

6. Тепловой эффект реакции:

Основная реакция

С6Н11ОН С6Н10О + Н2 q= -16,42кал/моль [ 19]

Q= кгДж/ч

Побочная реакция-образование циклогексена:

С6Н11ОН С6Н10 + Н2О

Тепловой эффект реакции: q=(5+57,8)+(-75,5)= -12,7кал/моль [19 ]

Q= кг Дж/ч (4.14)

Общий эффект реакции:

Q7= (-2636332,63)+-(-23923,165) = 2612409,465 кДж/ч = 725,67·10-3кВт (4.15)

Qприх= Qрасх

Тепловой баланс процесса можно представить так:

Q1+ Q2 = Q3+ Q4+ Q5+ Q6 +Q7 (4.16)

2293933,35+528G=3284134,92+459,1G+452550,85+19979,1+2612409,47

4075140,99=68,9 G G=59145,73 (5.17)

Таблица 4.8 Таблица теплового баланса

приход	расход
Статьи прихода	Колич. кДж/ч	Статьи расхода	Колич. кДж/ч
анол-ректификат дымовые газы	2293933,35 31228945,44	анон-сырец анол водород вода циклогексен дымовые газы потери теплововой эффект реакции	2081292,14 1186562,52 452550,85 4356,1 11924,155 27153804,64 19979,1 2612409,285
Итого кВт	9,314		9,314

Количество тепла, снимаемого в аппарате:

31228945,44-27153804,64 = 4075140,8 кДж/ч = 1131,98·10-3кВт

5.3.2 Тепловой баланс перегревателя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 5.4 Диаграмма тепловых потоков подогревателя

ПРИХОД ТЕПЛА

Q1- тепло вносимое в перегреватель с анолом-ректификатом

Q2-тепло вносимое в перегреватель с аноном-сырцом;

РАСХОД ТЕПЛА

Q3-тепло, уносимое с аноном-сырцом

Q4-тепло, отводимое из подогревателя с анолом-ректификтом

Q5- потери тепла

Q6- тепло на испарение

ПРИХОД

1. с циклогексанолом-ректификатом

Q=G C t

С (150°С)=0,75329 кДж/кг град [ 7]

Q1=5952,22*0,75329*170°С=762231,809 кДж/ч = 211,73·10-3 кВт (5.18)

2. с циклогексаноном-сырцом

Q2=4509738,36 кДж/ч (из теплового баланса аппарата дегидрирования)

РАСХОД

1. с циклогексаноном-сырцом

Q3=3761,92*2,45*t=9214,45 t (4.19) Cp=2,45 кДж/кг 0С (5.19)

2. с циклогексанолом

Q4=2074,41*210°С*0,9046=394067,37 кДж/кг град =109,46 10-3 кгДж/ч (4.20)

Ср=0,9046 кДж/кг0С [19 ]

Потери тепла. [19]

Удельный тепловой поток q=355,5 Вт/м

Изоляция- диатомовый кирпич.

Теплопроводность изоляции

?из=0,116+0,00023 =0,1419 Вт/м20С (4.21)

Толщина изоляции

?из ==0,036м, принимаю ?из=40 мм

Потери в окружающую среду

Q5=355,5*300=106650 Вт/ч=123714 кДж/ч = 34,37·10-3кВт (4.22)

Тепло на испарение циклогексанола

Q6=3761,92*454=1707911,68кДж/ч = 474,42·10-3кВт (4.23)

ч=454 кДж/кг град- теплота испарения циклогексанола

Qприх = Qрасх

762231,809+4509738,36=9214,45t+394067,37+1707911,68+123714

304627,12=9214,45t t=330°С

Таблица 4.9 Сводная таблица теплового баланса подогревателя

ПРИХОД	РАСХОД
ЦГ-ол ректификат	211,73 10-3	ЦГ-он сырец	844,65 10-3
ЦГ-он сырец	1252,71 10-3	ЦГ-ол ректификат	109,46 10-3
		Потери	34,37 10-3
		Тепло на испарение	474,42 10-3
итого кВт	1,46		1,46

4.3.3 Тепловой баланс испарителя

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис 4.5 Диаграмма тепловых потоков испарителя

ПРИХОД ТЕПЛА

Q1- тепло вносимое в испаритель с анолом-ректификатом

Q2-тепло вносимое в испаритель с водяным паром

РАСХОД ТЕПЛА

Q3-тепло, уносимое с анолом-ректификатом

Q4-тепло, отводимое из испарителя с водяным паром

Q5- потери тепла

Q6- тепло на испарение

ПРИХОД

3. с циклогексанолом-ректификатом

Q=G C t

С (90°С)=0,451974 кДж/кг 0С [ 7]

Q1=5952,22*0,451974*90°С=242122,38 кДж/ч =670·10-3кВт (4.24)

4. с водяным паром

5.

Q2=1244572,64 кДж/ч =345,71 ·10-3кВт (4.25)

РАСХОД

3. с водяным паром

Q3= 208,8 10-3*2,45*t=0,51 ·10-3 t Cp=2,45 кДж/кг 0С [19 ] (4.26)

4. с циклогексанолом-ректификатом

Q4=5952,22*170°С*0,9046=915344,30 кДж/кг град =254,26·10-3кВт (4.27)

Ср=0,9046 кДж/кг 0С [ 19 ]

Потери тепла. [ 19 ]

Удельный тепловой поток q=355,5 Вт/м (4.28)

Изоляция- диатомовый кирпич.

Теплопроводность изоляции

?из=0,116+0,00023 =0,1419 Вт/м2 0С

Толщина изоляции

?из ==0,036м, принимаю ?из=40 мм

Потери в окружающую среду

Q5=355,5*300=106650 Вт/ч=123714 кДж/ч=34,37·10-3кВт (4.29)

Тепло на нагрев циклогексанола

Q6=5952,22*454=2702307,88кДж/ч =650,64·10-3кВт (4.30)

ч=454 кДж/кг град- теплота испарения циклогексанола

Qприх = Qрасх

670·10-3+345,71 ·10-3= t76,73 ·10-3+254,26·10-3+34,37·10-3+750,64·10-3

t=150°С

Таблица 4.10 Сводная таблица теплового баланса испартителя

ПРИХОД	РАСХОД
ЦГ-ол ректификат	670·10-3	ЦГ-ол ректификат	254,26·10-3
Водяной пар	345,71 ·10-3	Водяной пар	76,73 ·10-3
		Потери	34,37·10-3
		Тепло на испарение	650,64·10-3
итого кВт/ч	1,016		1,016

4.3.4 Тепловой баланс ректификационной колонны

Схема тепловых потоков

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 4.6. Схема тепловых потоков

QF - тепло подводимое с питанием, кВт

Qф- тепло подводимое с флегмой, кВт

Qпод1- тепло подводимое в подогреватель, кВт

Qпод2 - тепло конденсации пара, кВт

Qс - теплота, отводимая с парами, кВт

Qр - тепло, отводимое с дистиллятом, кВт

Qw- тепло, отводимое с кубовой жидкостью, кВт

Qотв.к - тепло, отводимое в конденсаторе, кВТ

Qпот - потери тепла

Уравнение теплового баланса



Qприх= QF2+Qпод+Qф

Qрасх=Qw+QG +Qпот

1) Определяем QF2

QF2=Gk*CF+Tk2 где (4.31)

Gk- количество подаваемого питания, кг/с

CF - теплоемкость, кДж/кгК

Tk2- температура, К

QF2=5,745*2,09*(273+80)=4238,5кВт

2) QF1=5,754*2,09*(273+60)=3998,359 кВт

3) Следовательно, тепло, подаваемое в подогреватель

QF2- QF1=4238,5-3998,359=240,141 кВт (4.32)

4) Определяем Qф

Qф=2,38*2,09*(273+62)=1666,36 кВт (4.33)

5) Qw=0,9905*1,823*(273+150)=763,8 кВт (4.34)

6) QG=GG*r+ GG* GGT,где r- теплота конденсации циклогексанола

QG=7,13*360,2+7,13*2,09*(273+82)=7858,326 кВт (4.35)

7)Определяем Qпотерь

Qпотерь=0,2 (QF+ Qw+ Qф)

Qпотерь=0,2(4238,5+1666,36+763,8)=1333,732 кВт (4.36)

8) Qподв= Qрасх- Qприх

Qподв=(763,8+7858,326+1333,732) - (4238,5+1666,36)=4050,998 кВт (4.37)

9).Определяем Qр

Qр=4,7545*2,09 (23+62)=3328,9 кВт (4.38)

10) Qотв.конд=7858,326- (1666,36+3328,9)=2863,066 кВт (4.39)

5.3.4.1 Определение расхода греющего пара

Gг.п.= (4.40)

где r -теплота конденсации пара, кДж/кг

х- коэффициент, учитывающий влажность пара

Gг.п.=

4.3.4.2. Определение расхода охлаждающей воды

Vв= (4.41)

Vв=

Расход охлаждающей воды в хвостовом конденсаторе принимаем 10% от общего объёма.

12,3 м3/ч=0,0036м3/с

Итого общий расход охлаждающей воды 135,3м3/ч =0,0374м3/с

4.4 Конструктивно-технологические расчеты

4.4.1 Расчет колонны дегидрирования

Реакция дегидрирования происходит в трубном пространстве колонны дегидрирования. Подвод тепла для проведения реакции осуществляется подачей дымовых газов в межтрубное пространство.

1. Условия процесса

Трубное пространство

Среда: пары циклогексанола-ректификата t1=210°C, t2=260°C, Р=0,065МПа

Межтрубное пространство

Среда: дымовые газы t1=480°C, t2=420°C

Средняя разность температур:

210 260 420 480

?tмм=210 ?t?=220

Отношение ?t? / ?tмм = 220/210=1,05<2, следовательно tср1=0,5 (tнач1+ tкон1)

tср1=0,5(210+260)=235°С (4.42)

tср2= tср1+ ?tср (4.43)

?tср= ?t?+ ?tмм / 2= 220+210 / 2=215°С

tср2= 235+215=450°С

Тепловая нагрузка колонны дегидрирования

27075870,55-22546153,09=4529717,46 кДж/ч

Количество снимаемого тепла

2592794,88-22546153,09=3383641,79кДж/ч

Определение коэффициента теплоотдачи для трубного пространства: принимаем, что нагреваемый газ в количестве 5952,22 пойдет в трубном пространстве, охлаждающий газ - в межтрубном пространстве. При этом для повышения теплоотдачи, в межтрубном пространстве устанавливаются поперечные перегородки.

Задаемся конструкцией:

Длину трубок реактора L принимаем равной 6000мм [ 18]

Число трубок находим по формуле:

N=V/(0.785xd2xL) (4.44)

Vк=Gн/Vн (4.45)

Gн - необходимое количество катализатора, кг

Vн - насыпная плотность катализатора, кг/м3

Vн= 950 кг/м3 [ 18 ]

Gк = Gцг-ла / q, где Gцг-ла - расход технического циклогексанола, кг/ч

q - удельная нагрузка по циклогексанолу, кг на 1кг катали затора в час q=0,096 кг/кг ч

Gк =5952,22/0,096=62002,29кг

Vк=62002,29/950=65,266м3

N=65,266/(0,758х(57 10-3)2 х6)=4264,97

В отделении принимаем 5 работающих агрегатов. Тогда число трубок в 1 реакторе п*=4264,97/5=853шт.

G*к =62002,29/5=12400,46кг - столько следует загрузить катализатора в 1 реактор.

Найдем общий объем трубок в 1 реакторе

V=?R2 x H (4.46)

R=(57-(2,5+2,5) = 52/2 = 26мм = 0,026м

V=3,14 х 0,0262 х 6 = 0,0127м3

V= 0,0127 х 853 = 10,83м3

Общий объем трубок - 10,83м3

Скорость движения циклогексанола - ректификата в трубном пространстве

?= G/? S= 5952,22/0,830х3600х39,4 (4.47)

S=10110 х 3600 = 36,4м2

? = 830кг/м3 - плотность циклогексанола при tср1

Режим движения в трубном пространстве

Re = ? ? d/? [ 20] (4.48)

? = 1.2 10-3 л с/м - вязкость циклогекасанола при tср = 1,2 10-3 Па с

Re =0,051 х 0,052 х 830/1,2 10-3 = 1,83

Re2300 - режим ламинарный.

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,15l Re0,33 Pr0,43 Cr0,1( Pr/PrСТ.)0,25 [ 20] (4.49)

Критерий Прандтля:

Pr = Cp/ [ 20 ] (4.50)

Cp = 0,76*4190 Дж/кг0С

- коэффициент теплопроводности.; = 0,2*1,16 Вт/м0С

Pr = 1,2*10-2*0,76*4190/0,2*1,16 = 164,27

Критерий Грасгофа: [ 20 ]

Сr = d3 g l3 2 t /2 (4.51)

= 0,83*10-3/0С

Cr = (0,052)3*9,81*8302*0,83*10-3*215/(1,2*10-3)2 = 117757691,5

Nu = 0,15l Re0,33 Pr0,45 Cr0,1 =0,15*1*10,460,33*164,270,45*117757691,5

0,1 = 20,73

l = 1 - для ламинарного движения при L/d > 50

Pr/PrСТ.= 1 - для газов.

Коэффициент теплоотдачи циклогексанола-ректификата:

1= Nu/ dВН. (4.52)

- теплопроводность для циклогексанола при tСР.; = 0,2*1,16 Вт/м0С

1=0,2*1,16*20,73/0,052 = 92,50 Вт/м2ч0С

Определение коэффициента теплоотдачи для дымовых газов.

Поперечное сечение межтрубного пространства

Sмт = 0,785 (Д2 - nd2), d2 = S (4.53)

Sмт =0,785 ( 25,57 - 853 х 0,0522)=18,26 м2

Sвн = 25,57м2 (36,4-10,83)

Sвн = 25570мм

п=853шт

dn =52мм

Скорость течения газов при Т=726 К(считаю по азоту).

w = G/s (4.54)

G - количество дымовых газов из теплового баланса.

- плотность азота при t =4500C. [19]

=0 Т0 Р/Т Р0

=1,25*273*1,6/726*1=0,75 кг/м3

w = 59145,73/0,75*3600*2,20*5=1,99 м3/с

Определим эквивалентный диаметр для межтрубного пространства [20]

dэ = D2 - пd2 D2 = S (4.55)

D + пd

dэ = 29,74-853 х 0,0522 = 27,43 = 0,457м

29,74 +853х 0,052 60,08

2

Критерий Рейнольдса для дымовых газов:

Re = w d /

- динамический коэффициент вязкости; =0,0325*10-3н/м2

Re = 1,99*0,457*0,753/0,0325*10-2=2107,08

Критерий Нуссельта для дымовых газов:

Nu = 0,6*0,41 Re0,6 Pr0,33

Критерий Прандтля:

Pr = CP/

CP - удельная теплоемкость (при постоянном давлении)

- коэффициент теплопроводности; =0,045*1,16 Вт/м0С

Pr = 0,0325*10-3*0,263*4190/0,045*1,16=6,86

Nu=0,6*0,41*2107,080,6*6,860,33=458,28

Коэффициент теплопроводности для дымовых газов:

2= Nu /dЭ=458,28*1,16*0,045/0,457=55,43 Вт/м0С

Коэффициент теплопередачи:

К=1/(1/1) + rСТ.1 + (/) + rСТ.2 + (1/2) [ 18]

- толщина стенки трубки; =2,5 мм

- коэффициент теплопроводности стенки; =17,5 Вт/м0С

r1 - коэффициент загрязнения со стороны горячего теплоносителя

r1=0,00035 м2 0С/Вт

r2 - коэффициент загрязнения со стороны холодного теплоносителя

r2=0,00009 м2 0С/Вт

К=1/(1/92,50) + 0,00035 + (0,0025/17,5) + 0,00009 + (1/55,43)=33,97 Дж/м2 0С

F = 4075140,8 *1,16/33,97*80*5*4,19 = 523,35 м2

Принимаем F=562м2

Н=10110мм

dn =57х2,5

L = 6000мм

N = 853шт

4.4.2 Расчет перегревателя

Кроме реактора контактный узел дегидрирования циклогексанола имеет в своем составе перегреватель. Он предназначен для подогрева циклогексанола - ректификата, поступающего в отделение и для охлаждения реакционных газов.

1. трубное пространство - циклогексанол- ректификат

G=5952,22/5

t1 =25°С t2=220°С

2. межтрубное пространство - пары циклогексанона - сырца

G=5952,22/5

t1 =280°С t2=140°С

Температурный режим

25  220 140 280

?tм=115 ?t?=60

Отношение ?t? / ?tм = 60/115=0,5<2, следовательно tср1=0,5 (tнач1+ tкон1)

tср1=0,5(210+260)=235°С

?tср= 60-115 = 85 °С

2,3lg 60/115

Тепловая нагрузка подогревателя:

Q= G x C (t2 -t1) [18 ]

Считаю по циклогексанолу:

G=5952,22/5 кг/ч С=2,6кДж/к град

Q= 5952,22/5 х 2,6 (220-25) = 603555 кДж/ч = 167654 Вт

Принимаем, что нагреваемый газ подается в трубное пространство, а охлаждаемый - в межтрубное пространство. При этом задаемся конструкцией перегревателя.

dтрубок 38х2мм

п трубок 336шт

Скорость движения циклогексанола - ректификата в трубном пространстве

?= G/? S= 5952,22/5

336*854*3600*0,785*0,0342 = 0,0013 м/с

где ? = 854 кг/м3 - плотность циклогексанола [ 17 ]

Режим движения в трубном пространстве:

Re = ? ? d/?

?- вязкость циклогекасанола при tср = 1,2 10-2 Пз [ 17 ]

Re =0,0013 х 0,034 х 854/1,2 10-2 = 2,359

При установившемся ламинарном движении (Re<2300) для определения коэффициента теплоотдачи воспользуемся формулой:

Nu = 0.15Ee Re0..33 Pr0.43 Gr0.1(Pr / Pr ст)0,25

Ее = 1 - для ламинарного режима при ?/d >5

Pr / Pr ст = 1 для газов Pr= Ср?/?; где Ср=0,620*4190 Дж/кг град

? - коэффициент теплопроводности ?=0,21*1,16 Вт/м град

Pr = 1,6 10-2 х 0,620х4190 = 170,627

0,21х1,16

Критерий Трасгофа: Gr = d3 x g x ?2 ? x ?t [ 17 ]

?2

? = 0.825 10-3 - коэффициент объемного расширения

Gr = (0,034)3 х 9,8 х 8502 х 0,825 10-3 х 85 = 7623135

(1,6 10-3)2

Nu = 0.15 х1х3,448..33 х159,620.43 х76231350.1=9,8

Nu = 9,8

1=Nu /dВН.

- коэффициент теплопроводности для циклогексанола при tСР.

=0,21*1,16 Вт/м0С

1=9,8*0,21*1,16/0,034=70,21 Вт*м2ч0С

Межтрубное пространство.

Поперечное сечение межтрубного пространства:

SМ.Т.=0,785(D2 - nd2) [ 20 ]

DВН.=1000 мм

n = 407 шт

d = 25 мм

SМ.Т.=0,785(12 - 407*0,0342)=0,4157

Скорость течения реакционных газов:

w = G/ s

- плотность; =10,2 кг/м3

w = 5952,22/10,2*3600*0,4157=0,08 м/сек.

5

Эквивалентный диаметр для межтрубного пространства:

dЭ= (D2 - nd2)/(D + nd) = (1 - 407*0,0342)/(1+407*0,034)=0,067

Критерий Рейнольдса: [ 18 ]

Re = w d /

- плотность; =10,2 кг/м3

- вязкость; =1,6*10-2

Re = 0,08*0,034*10,2/1,6*10-2=1,73

Критерий Нуссельта:

Nu = 0,6*0,41 Re0,6 Pr0,33 [ 17 ]

Критерий Прандтля: [17 ]

Pr = CP/

СР - теплоемкость; CP = 0,620*4190 Дж/кг0С

- коэффициент теплопроводности; =0,21*1,16 Вт/м0С

Pr = 1,6*10-2*0,620*4190/0,21*1,16=170,63

Nu = 0,6*0,41*1,730,6*170,630,33=1,86

2 = Nu /dВН.=1,86*0,21*1,16/0,034=13,3 Вт/м2 0С

Коэффициент теплопередачи:

К = 1/(1/1) +rСТ.1 + (/) + rСТ.2 + (1/2) [ 17]

rСТ.1 - коэффициент загрязнения со стороны горячего теплоносителя;

rСТ.2 - коэффициент загрязнения со стороны холодного теплоносителя.

rСТ.1 = rСТ.2 =0,00009 м2 0С/Вт

К = 1/(1/70,21) + (0,002/17,5) + (1/13,3) + 0,000092 =11,17 Дж/м2 0С

F = Q/К*tСР.= 167654/11,17*85=176,58 м2 [ 17 ]

Принимаю F =180 м2

4.4.3 Расчет теплообменника

Теплообменник предназначен для подогрева циклогексанола - ректификата и охлаждение циклогексанона - сырца.

1.Трубное пространство - циклогексанол - ректификат.

G= 5952,22 кг/ч

t1 =25°С t2=90°С

2. межтрубное пространство - пары циклогексанона - сырца

G=5952,22

t1 =90°С t2=150°С

Температурный режим

25 90 90 150

?tср= 65+60 = 63 °С 2

Дальнейшие расчеты проводили аналогично расчетам подогревателя.

Принимаем конструктивные размеры топлообменника по ГОСТ 15118-99:

Fт=38м2

Д=600 мм

L=2000 мм

Трубки -25х2х1996 мм

4.4.5 Расчет испарителя

Испаритель вертикальный кожухотрубчатый одноходовой аппарат.

Предназначен для испарения циклогексанола за счет тепла конденсации водяного пара до температуры 160-180°С. В трубном пространстве циклогексанол и его пары в межтрубном - водяной пар.

Принимаем по ГОСТ 15118-99 :

Fт=245м2

Д=1400 мм

Lтр=3000мм

Трубки -25х2х3000мм

п=703 шт.

4.4.6 Расчет холодильника - конденсатора

Холодильник- конденсатор предназначен для охлаждения циклогексанона - сырца.

1.Трубное пространство - циклогексанон - сырец.

G= 5952,22 кг/ч

t1 =150°С t2=70°С

2. межтрубное пространство - охлаждающая вода

G=5952,22кг/ч

t1 =25°С t2=40°С

Температурный режим

25 40 70 150

?tср= 110+45 = 65 °С 2

Рассчитываем поверхность охлаждения по формуле:

F = Q/К*tСР

Находим нагрузку конденсатора на охлаждение :

[17]

Принимаем по ГОСТ 15118-99

Fт=157м3

Д=1000 мм

L=2000 мм

D трубок -20х2

n= 666

4.4.6. Расчет емкостей, сборников, гидрозатворов

Данные аппараты представляют собой вертикальные цилиндрические аппараты. Определяем объем емкости по формуле:

[ 17]

Vж - объем заполняемой жидкости, м3/с

Z- коэффициент запаса производительности

n - количество оборудования

? - коэффициент заполнения

? - время пребывания, с

1. Для емкости циклогексанола - ректификата поз. Сб-1 [ 17]

По ГОСТ 15118-99 принимаем:

Д=3200 мм

L=12900 мм

V=100м3

Емкости позиций Сб - 2,3,4, а так же гидрозатворы поз. Г-1,2,3,4 расчитываем аналогично и принимаем по ГОСТ 15118-99 для:

Сб-2,4 Д=2800 мм

L=10492 мм

V=63 м3 Сб-3 Д=1400 мм

L=2300 мм

V=3,2 м3

Г-1 Д=426 мм

L=3000 мм

V=35м3 Г-2,3 Д=1400 мм

L=2300 мм

V=3,2м3

Г-4 Н=2100мм

L=2300 мм

4.4.7 Расчет ректификационной колонны

Молярные теплоты испарения обоих компонентов одинаковы, поэтому каждый килимоль сконденсировавшегося пара испаряет один киломоль жидкости, вследствие чего количество поднимающегося пара и стекающей жидкости по высоте колонны не меняется, а изменяется лишь состав.

Следует отметить, что молярные теплоты испарения веществ близки друг к другу. Поэтому сделанное допущение не приводит к значительной ошибке, если расчет вести не в весовых а в молярных величинах.

Исходная смесь подается в колонну подогретой до температуры кипения.

При конденсации пара в дефлегматоре не происходит изменения состава. Следовательно, состав пара аналогичен составу дистиллята.

При испарении жидкости в кубе не происходит изменения её состава. Следовательно, состав пара аналогичен составу остатка.

Выразим концентрации питания, дистиллята и куба в мольных долях.

Определяем относительный мольный расход питания.

Определяем минимальное флегмовое число.

Таблица 4.11 Фазовое соотношение пар-жидкость в системе циклогексанол - циклогексанон

Состав жидкой фазы	Состав паровой фазы	tкипения
циклогексанол	циклогексанон	циклогексанол	циклогексанон
100,0	0	100	0	80,75
87,5	12,5	98,2	0,8	83,3
75,0	25,0	97,1	2,9	85,3
62,5	37,5	96,1	3,9	87,8
50,0	50,0	94,0	6,0	91,6
37,5	62,5	92,7	7,3	95,45
25,0	75,0	89,4	10,6	103,2
12,5	87,5	76,2	23,8	119,3
0	0	0	100	155,6

По результатам практических исследований сведенных в таблице строится диаграмма фазового равновесия t- х, у

Данная смесь характеризуется положительным отклонением от закона Рауля, но т.к. кривая полного давления не имеет максимума, закон Рауля может быть применен для расчета.

Для вычисления равновесных составов фаз, с учетом вышеизложенного воспользуемся законом Рауля.

Р*= Р · Х, мм.рт.ст

где: Р* - парциальное давление компонента в парогазовой смеси над жидкостью в условиях равновесия.

Р- давление насыщенного пара чистого компонента

Х- мольная доля компонента в жидкости

По закону Дальтона

П= Р1+Р2 = Р1Х +Р2 (1-Х);

откуда Х= У= П=760 мм.рт.ст.

Результаты расчетов сводим в таблицу

Таблица 4.12 Расчеты давления

t0C	Ран-ла, мм.рт.ст.	Р ан-на,мм.рт.ст.	Х	У
80	760	121	1	1
90	853	149	0,868	0,974
100	959	184	0,743	0,938
110	1081	220	0,627	0,892
120	1202	312	0,503	0,796
130	1343	389	0,389	0,687
140	1488	543	0,229	0,448
150	1653	686	0,076	0,166
155	1750	760	0	0

Затем на Х-У диаграмме наносится точка А с координатами Хw=Yw, т.С с координатами Хр=Ур, а на кривой равновесия - т.В, с абсциссой ХF. Из точки С проводим через т.В прямую до пересечения с осью ординат.

Полученный отрезок Во используем для нахождения минимального флегмового числа.

Rmin=

Построение рабочей линии

1) Принимаем коэффициент избытка флегмы 1,6

Тогда рабочее флегмовое число:

R=1.6·Rmin

R=1.6·0.306=0.5

2) Составляем уравнения рабочих линий

Уравнение рабочей линии укрепляющей части колонны

У=

Уравнение рабочей линии исчерпывающей части колонны

У==

У=1,125Х-0,00125

Согласно этих уравнений проводим график рабочих линий колонны. На пересечении этих линий получаем точку В.

Определение средних концентраций жидкостей

1) в верхней части колонны



2) в нижней части колонны

Определение средних концентраций пара.

Середина концентраций пара определяется через количество поднимающихся паров и стекающей жидкости.

Количество поднимающегося пара

G=P(R+1)

G=кг/с

Количество стекающей жидкости в укрепляющей части колонны равно количеству флегмы

Ф=R·P; Ф=кг/с

Количество стекающей жидкости в исчерпывающей части колонны

h = Ф+К; h = кг/с

По рабочей линии определяем состав пара в т.В соответствующий составу исходной смеси.

Ув=0,956

Средний молярный состав пара в верхней части колонны:

У/ср=

Средний молярный состав пара в нижней части колонны

У//ср=

Средний молярный состав пара в колонне

Уср=

По t - Х,У диаграмме этому составу соответствует температура пара 1200С

Определение средней плотности пара

где: М- средняя молекулярная масса пара

R- универсальная газовая постоянная Дж/кмоль·К

М=0,73·98,15+0,27·100,16=98,69

?=

Определяем объёмный расход пара

Vп = ; Vп=м3/с

Определяем плотности жидкости

1) в верхней части колонны

? = 779·0,921+946(1-0,921)=792,2 кг/м3

2) в нижней части колонны

? =779·0,4265+946(1-0,4265)=874,77кг/м3

Средняя плотность жидкости в колонне:

?ж=

Определение объёмных расходов

1) в верхней части колонны

Vж= Vж=

2) в нижней части колонны

Vж= Vж= м3/с

Выбор скорости пара: для расчета принимаем тарелку колпачкового типа ТСК-Р ГОСТ 26-808-2002

Живое сечение тарелки ?=0,219м2

Высота сливного порога Hн=0,025м

Периметр слива П=2,032м

Высота прорези колпачка l=0,02м

Определяем скорость пара в прорези колпачков, соответствующую началу равномерной работы тарелки.

Где: а - коэффициент, учитывающий тип тарелки (а=1)

g-ускорение силы тяжести, м2/с

k- коэффициент сопротивления (4,5-5,0)

l- высота прорези, м

Определяем скорость пара в свободном сечении колонны в зависимости от скорости ?0в прорезях.

(м/с)

Поскольку расход жидкости в верхней части колонны меньше, чем в нижней, то найденное значение обеспечит равномерный режим работы тарелок по всей высоте колонны. Принимаем расстояние между тарелками n=0,45м, определяющее предельную скорость в свободном сечении:

Принимаем рабочую скорость ?=0,9*0,9=0,81 (м/с)

Определение диаметра колонны:

S- площадь сечения S=2,61/0,76=3,43 м2

Диаметр колонны составляет 3200м.

Проверка принятого расстояния между тарелками:

Минимальное расстояние между тарелками определяется условием:

где Н-расстояние между тарелками, м

?Р - сопротивление тарелки, Н/м2 [17]

?Р=?Р1+ ?Р2+ ?Р3, н/м2

где ?Р1-сопротивление сухой тарелки, Н/м2

?Р2 - сопротивление столб жидкости на колпачковой тарелке, Н/м2

?Р3 - сопротивление поверхностного натяжения жидкости, Н/м2

а) ?Р1= k (Н/м2)

б) ?Р2=, Н/м2

где: k- отношение плотности пены к плотности жидкости (0,5)

е- расстояние от верхнего края прорези до сливного порога, м

?h- высота слоя жидкости над сливным порогом, м

(м); (Н/м2) (4.74)

Высота слоя жидкости над тарелкой составляет:

(м) (м)

б) ?Р2=

Сопротивлением поверхностного натяжения жидкости на колпачковой тарелке можно пренебречь.

?Р=81,7+256,36=338,06 (Н/м2)

1,8<0,45

Следовательно, принятое расстояние между тарелками достаточно для создания гидравлического затвора.

Определение высоты колонны:

Н = Нкуб + Нтар + Нверх ,м

Где: Нкуб -высота кубовой части, м

Нтар - высота тарельчатой части, м

Нвер - высота верхней части, м

Принимаем Нкуб = 3м, Нверх=2м

Нтар=(N-1)*h*? (м)

где: N- число единиц переноса =28

h -расстояние между тарелками, м

? - запас производительности

Определяем число тарелок

Nт=N*? Nт= 28*2,3=64,4

Принимаем к расчету 65 тарелок. Т.о. высота тарельчатой части:

Нтар=(65-1)*0,45=28,8 м

Нк = 3+28,8+2=33,8 м

Расчет диаметров штуцеров основного аппарата:

d=(м)

где: ? - скорость среды в трубопроводе, м/с

Вход исходной смеси:

d = м Принимаем Dу=76мм

Выход кубовой жидкости:

d = м Принимаем Dу=100мм

Выход паров:

d = . Принимаем Dу=600мм

Выход флегмы:

d = . Принимаем Dу=50мм

Принимаем у входа жидкости в колонну 400мм;

Принимаем выход паров из колонны Dу 300мм;

Принимаем штуцера приборов КИПиА Dу 50мм;98. Принимаем люк Dу500мм.

5.4.7.1 Расчет сборника флегмы

,м

Где: V- объём дистиллята, м3/с

Z-коэффициент запаса производительности

п- количество оборудования

? - коэффициент заполнения

? - время пребывания, с

м3

Принимаем

O =2м, Н = 3м, V = 9,42м3

4.4.7.2 Расчет насосного оборудования

Для обеспечения работы оборудования проведем расчет насосного оборудования.

Велияина полного напора развиваемого насосом в м.столба перекачиваемой жидкости:

Р1, Р2 - давление в пространствах нагнетания и всасывания жидкости соответственно, Па

? - плотность перекачиваемой жидкости, кг/м34

Н2 - геометрическая высота подъема жидкости, м

g- усорение свободного падения, м/с2

h - напор, затрачиваемый на создание скорости и на преодоление местных сопротивлений

Диаметр трубопровода находим по формуле:

d =

расход циклогексанола берем из материального баланса -5952,22кг/ч=1,8·10-2 м3/с

? течения анола принимаем 2м/с

Н установки насоса - 9м

Скорость движения циклогексанола в трубе находим по формуле:

Определяем потери на трение и местные сопротивления, для этого находим критерий Рейнольдса:

Rе=

? = 1,2·10-3 - вязкость циклогексанола

Отсюда следует, что режим турбулентный. Абсолютную шероховатость трубопровода принимаем ? = 2·10-4 м. Тогда е = ?/d= 2·10-4/0,16=0,00125

Далее получим

; ;

8000 < Rе <448000

Таким образом, в трубопроводе имеет место смешанное трение, и расчет ? проводим по формуле:

?= 0,11 (е+68/Rе)0,25 = 0,11 (0,00125 + 68 / 253433)0,25 = 0,022 [17]

Определим сумму коэффициента местных сопротивлений отдельно для всасывающей линии:

1. Вход в трубу принимаем с острыми краями ?1 = 0,5

2. Прямоточные вентили:

для d =150мм ? = 0,42

для d =200мм ?=0,36

Методом интерполяции находим для d = 0,16 м =160мм ?=0,39. Умножая на поправочный коэффициент k = 0,925, получаем ?2 = 0,36

3. Отводы: коэффициент А=1, коэффициент В=0,09, ?3 = 0,09

Сумма коэффициентов местных сопротивлений во всасывающей линии:

?? = ?1+ ?2+ ?3 = 0,5+0,36+0,09=0,95

Потерянный напор на всасывающей линии находим по формуле

hn =

Для нагнетательной линии:

1. Отводы под углом 900 ?1=0,09

2. Нормальные вентили :

для d = 150мм ?=4,4

для d = 200мм ?=4,7

Принимаем для d = 0,16м ?2 = 4,55

3. Выход из трубы ?3 = 1

Сумма коэффициентов местных сопротивлений в нагнетательной линии

??=0,09+4,55+1=5,64

Потерянный напор в нагнетательной линии

hn =

Общие потери напора:

hn=0,48+1,46=1,94 м

Выбор насоса

Находим напор насоса по формуле:

Н = ?18м.вод.ст. [17]

Другие насосы рассчитываются аналогично.

а) Флегмовый насос Х20153

Q=5,5*10-3 , м3/с Н=44м, двигатель N=13 кВт

б) Кубовый насос Х20131 Q=5,5*10-3 , м3/с Н=25м, двигатель N=5.5 кВт

4.5 Конструктивно-механические расчеты

4.5.1 Номинальная расчетная толщина стенки обечайки определяется по формуле

S1 = DВ*Р/2g* - P [17]

где: DВ - внутренний диаметр аппарата, м;

Р - расчетное давление, Па; g - допустимое напряжение на растяжение для материала обечайки, Па;

- коэффициент прочности сварных и полных соединений, =1;

g = * Sg=1/1380=0,00072кгс/см2=72Па - допустимое напряжение для стали ХТН13М3Т;

S1 = 21,55*0,65/2*1380 - 0,65=0,00308 м =3,1 мм.

Суммарная прибавка к расчетной толщине:

С = СК + СЭ + СО + СД

где: СК - прибавка на коррозию, СК = 0;

СЭ - прибавка на эрозию, СЭ = 0;

СД - прибавка по технологическим и монтажным соображениям, СД = 1;

СО - прибавка на округление размера, СО = 1,7 мм.

С = 0 + 0 + 1 + 1,7 = 2,7мм

S = S1 + С = 1,31 +2,7 = 4,01 мм

4.5.2 Толщина стенки эллиптического днища

S1 = RВ*P/2g* - P [20 ]

где: RВ - внутренний радиус кривизны в вершине днища, м;

S1 = 10,7*0,65/2*1380*0,95 - 0,65 =0,00265м =2,7 мм.

Толщина стенки днища с учетом прибавок:

S = S1 + C = 3,1 + 2,7 = 5,8 мм.

Принимаю толщину днища 6 мм.

Подбираем днище эллиптическое отбортованное стальное с внутренним диаметром

Минимально возможная толщина днища

, , : [ 8 ]

Толщину обечайки принимаем равной толщине днища, т.е 6 мм

4.5.3 Крышка рассчитывается аналогично

Напряжение при гидроиспытании:

г = Рnг [ D + ( S - C - C1 - C2)] / 2*( S - C - C1 - C2)*

Рnг - давление при гидроиспытании, кг/см2

г = 0,8*т20 = 0,8 кг/см2

т20 - предел текучести материала при 200С, кг/см2

4.5.4 Расчет штуцера входа циклогексанола-ректификата

d = 0,0188G/ w

G = 5952,22 кг/ч;

n = 853 трубки;

G = 5952,22/853 = 6,9 кг/ч;

w= 0,051 м/с;

= 950 кг/м3

d = 0,01886,9/950*0,051*5 = 0,32 м.

Принимаем: [ 20 ]

GЦГ-ОЛ = GЦГ-ОН, следовательно, штуцера входа и выхода одинаковые.

штуцер	Дн	Дб	Д1	Д0	dб
выхода цг-ла	515	475	450	411	М20
входа дымовых г.	515	475	450	411	М20
выхода дымовых. г	515	475	450	411	М20

4.5.5 Расчет штуцера входа дымовых газов, аналогичен расчету штуцеров входа и выхода циклогексанола

4.5.6 Расчёт опоры контактного аппарата

Крепление аппарата производится на стальных подвесных лапах:

Принимаем отношение вылета лапы к высоте ребра её , тогда

[ 8 ]

Рассчитаем толщину ребра лапы при

; ; [ 8 ]

Отношение , поэтому уменьшаем значение до , при котором Пересчитаем

Принимаем .

Методика расчёта взята из [11]

Принимаем лапу: [ 8 ]

-длина лапы

-высота лапы



Рис 4.10. Эскиз опоры

5. НОРМЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Таблица 5.1

Контролируемый параметр	Единица измерения	Нормы технологического режима
1 Объемная подача природного газа на агрегат	м3/час	60-250
2 Объемная подача воздуха на агрегат	м3/час	600-2500
3 Объемная подача анола на агрегат	м3/час	2-5
4 Объемная подача водорода на агрегат	м3/час	60-160
5 Температура анола после теплообменника	0С	40-90
6 Температура анола после испарителя	0С	160-180
7 Температура анола после перегревателя	0С	180-240
8 Температура анона-сырца после теплообменника	0С	100-150
9 Температура анона-сырца после холодильника	0С	40-70
10 Температура в колонне дегидрирования (верх, середина, низ)	0С	180-295
11 Температура дымовых газов перед колонной дегидрирования	0С	210-360
12 Температура дымовых газов на выходе из колонны дегидрирования	0С	180-320
13 Давление в колонне дегидрирования	кПа	65, не более
14 Кислород в дымовых газах	%	3-8
15 Кислород в дымовых газах при восстановлении катализатора	%	10 %, не более
16 Уровень в сепараторе	%	20-80
17 Температура подшипников газодувки	0С	70, не более
Процесс регенерации катализатора. Прожиг катализатора
1 Объемная подача природного газа в топку	м3/час	60-120
2 Объемная подача воздуха в топку	м3/час	600-1200
3 Объемная подача азотовоздушной смеси в агрегат дегидрирования	м3/час	50-80
4 Температура в колонне дегидрирования (верх, середина, низ)	0С	180-295
5 Объемная доля кислорода в азотовоздушной смеси при прожиге катализатора	%	3, не более
Восстановление катализатора
1 Объемная подача водорода на агрегат дегидрирования	м3/час	60-120
2 Температура в колонне дегидрирования	0С	240-260

6. АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Таблица 6.1 Аналитический контроль

Наименование стадий процесса, места измерений параметров или отбора проб	Контролируемый параметр	Частота контроля	Нормы и технические показатели	Методы испытания и средства контроля	Кто контролирует
1 Циклогексанон-сырец после агрегата дегидрирования	Анон Циклогексен	1 раз в смену в лаборатории То же	Массовая доля, % 30,0, не менее Массовая доля, % 0,8, не более	Сборник методик. То же	лаборант ЦОТК
2 Отходящие газы дегидрирования	Циклогексан	1 раз в сутки в лаборатории	Массовая доля, % 0,05, не более	Сборник методик.	лаборант ЦОТК
3 Анализ воздушной среды на сварочные работы	Анон Анол Циклогексан	По требованию в лаборатории То же То же	10 мг/м3, не более То же То же	МВИ массовых концентраций циклогексанона и циклогексанола хроматографическим методом в промышленных выбросах производства капролактама. Утвержд. 16.06.98г., Св. об аттестации	лаборант ЦОТК
				№ 2420/150-98 То же Сборник методик
4 Сточные воды	Анон Анол	1 раз в смену в лаборатории То же	Отсутствие То же	Сборник методик. То же	лаборант ЦОТК

7. АВТОМАТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИМ ПРОЦЕССОМ

7.1 Описание технологической схемы

Технологической схемой дегидрирования циклогексанола предусматривается два отделения: дегидрирование и ректификация.

В отделение дегидрирования циклогексанол поступает с температурой не менее 250С и с расходом 1,3 - 3,0 м3/ч, проходит трубное пространство теплообменника поз. Т-1, где нагревается до температуры 160 - 2200С и трубное пространство перегревателя поз. П-1, где перегревается до температуры 180 - 2400С.

Далее циклогексанол поступает в трубчатый реактор дегидрирования поз. КД, где происходит реакция при температуре 180-2950С, давлении 0,065 МПа и в присутствии цинкхромового катализатора.

Полученный в результате реакции циклогексанон далее охлаждается в межтрубном пространстве теплообменника поз. Т до температуры 100 - 1400С, нагревая исходную смесь.

Далее циклогексанон поступает в два параллельно работающих холодильника-конденсатора поз. ХК-1 и ХК-2, где происходит его охлаждение оборотной водой до температуры не более 700С и отделение реакционного водорода.

Более глубокое охлаждение полученного циклогексанона до температуры 3 - 50С происходит в аммиачном холодильнике-конденсаторе за счет испарения жидкого аммиака, поступающего с давление 1,0 - 1,4 МПа.

Поскольку реакция дегидрирования является эндотермической, необходим подвод тепла в зону реакции, который осуществляется горячими дымовыми газами. Природный газ в отделение поступает с давлением 50 - 70 кПа и с расходом 60 - 150 нм3/ч, воздух поступает с давлением 10 - 20 кПа и с расходом 1100 - 2200 нм3/ч. Природный газ и воздух смешиваются и нагреваются в камере сжигания до температуры 13000С.

Полученная в результате дегидрирования реакционная смесь, содержащая примерно 50% циклогексанола и 50% циклогексанона поступает в отделение ректификации.

Отделение ректификации состоит из колонн тарельчатого и насадочного типа. В тарельчатой ректификационной колонне поз. РК-1 происходит отделение циклогексанона от циклогексанола при температуре 100 - 1300С под вакуумом. В тарельчатой колонне РК-2 из циклогексанола выделяется побочная спиртовая фракция при температуре 155 - 1700С при атмосферном давлении. В насадочной колонне поз. РК-4 при температуре 100 - 1800С и под вакуумом из циклогексанола выделяют побочные продукты - масла-Х, а циклогексанол направляют в отделение ректификации. В насадочной колонне поз. РК-3 получают высоко качественный - не менее 99,9% циклогексанон при температуре 82 - 1300С и под вакуумом.

7.2 Описание схемы автоматизации

Схема дегидрирования циклогексанола оснащена контрольно-измерительными приборами, средствами автоматизации и сигнализации, обеспечивающими безопасное ведение технологического процесса. Контроль осуществляется из центрального пункта управления (ЦПУ).

Предусмотрены следующие основные узлы автоматического регулирования.

Отделение дегидрирования:

- расход циклогексанола в колонну дегидрирования поз. КД (поз. 300-5);

- уровень в сборнике циклогексанона поз. Е-1 (поз. 405-5);

- давление природного газа на входе в отделение поз. 205-5;

- давление воздуха в камеру сжигания поз. КС (поз. 204-5);

- уровень в аммиачном холодильнике-конденсаторе поз. АХК (поз. 404-5).

Отделение ректификации.

Ректификационная колонна поз. РК-1:

- расход циклогексанона в колонну поз. 303-5;

- расход флегмы в колонну поз. 304-5;

- расход циклогексанона в сборник промежуточного склада поз. Сб-9 (поз. 305-5);

- давление пара в испаритель поз. И-2 (поз. 207-5).

Ректификационная колонна поз. РК-2:

- расход циклогексанона в колонну поз. 306-5;

- расход флегмы в колонну поз. 307-5;

- расход спиртовой фракции в сборник промежуточного склада поз. Сб-12 (поз. 308-5);

- давление пара в испаритель поз. И-3 (поз. 210-5).

Ректификационная колонна поз. РК-4:

- расход циклогексанола в колонну поз. 311-5;

- расход флегмы в колонну поз. 312-5;

- расход циклогексанола в отделение дегидрирования поз. 313-5;

- давление пара в испаритель поз. И-5 (поз. 214-5).

Ректификационная колонна поз. РК-3:

- расход циклогексанона в колонну поз. 309-5;

- расход верхней флегмы в колонну поз. 310-5;

- расход нижней флегмы в колонну поз. 311-5;

- давление пара в испаритель поз. И-4 (поз. 212-5).

Вакуумсоздающая система:

- уровень в сепараторе поз. С-4 (поз. 419-5).

Предусмотрен контроль.

В отделении дегидрировании за:

- температурой циклогексанола до теплообменника поз. Т-1 (поз. 100) и после поз. 101;

- температурой циклогексанола после перегревателя поз. П-1 (поз. 103);

- температурой в колонне дегидрирования поз. КД (поз.104);

- температурой циклогексанона после колонны дегидрирования поз. КД (105), после теплообменника поз. Т-1 (106), после холодильников-конденсаторов поз. ХК-2 и ХК-2 (поз. 107) и после аммиачного холодильника-конденсатора поз. АХК (поз. 108);

- температурой дымовых газов в камере сжигания поз. КС (поз. 109), перед колонной дегидрирования поз. КД (поз.110), после (поз. 111), после перегревателя поз. П-1 (поз. 105).

- анализ дымовых газов после перегревателя поз. П-1 (поз. 500)

- давлением в колонне дегидрирования поз. КД (поз. 201);

- давлением в аммиачном холодильнике поз. АХК (поз.202);

- давлением жидкого аммиака на входе в отделение поз. 203;

- уровнем в дренажной емкости поз. ПЕ (поз. 405).

В отделении ректификации за:

- температурой верха, середины и куба всех ректификационных колонн поз. РК-1, РК-2, РК-3, РК-4 (поз. 112, 113, 114, 116);

- давлением верха и куба колонн поз.206, 207, 208, 209,210, 211, 213,214 - уровнем в колоннах поз.405, 422, 408, 410 и сборниках флегмы поз. Сб-5, Сб-6, Сб-7, Сб-8 (поз. 406, 407, 409, 411);

- уровнем в емкостях промежуточного склада поз. Сб-9 - Сб-15 (поз. 412-415)

В системе создания вакуума:

- температурой газожидкостной смеси после сепаратора поз. С-3 (поз. 118);

- уровнем в емкости поз. Сб-16 (поз. 421).

В качестве датчиков для измерения температуры применяются термопары хромель-алюмелевые ТХА, для измерения расхода - диафрагмы камерные ДК по ГОСТ 14321-73.

В качестве первичных приборов:

- для измерения давления - манометры пружинные с пневматической дистанционной передачей типа МП-П;

- для измерения расхода - измерительный преобразователь разности давления пневматический типа 13ДДI.

В качестве вторичных пневматических приборов применяются:

- показывающие - типа ПИВI.I;

- регистрирующие - типа РПВ4.2Э

- регистрирующие со станцией управления - типа ПВ10.1Э.

Для измерения температуры применяются потенциометры с искробезопасными измерительными схемами:

- показывающие - типа КВП1И;

- регистрирующие - типа КСП4И;

- регулирующие - типа КСП3И.

Для измерения концентрации дымовых газов применяется комплект газоанализатора ТРГ-1120.

Приборы в ЦПУ размещаются на каркасных щитах по ГОСТ 36.13-76.

7.3. Описание САР соотношения расхода природного газа и воздуха в камеру сжигания

Регулирование соотношения природного газа и воздуха осуществляется путем изменения подачи природного газа в камеру сжигания. Для более стабильной работы регулятора соотношения расход природного газа регулируется автономным контуром.

На трубопроводе подачи природного газа в отделение дегидрирования устанавливается диафрагма камерная ДК 25-150-П-а/б-3 (поз. 303-1) с запорными вентилями и разделительными сосудами (измеряемая среда - природный газ, Р=70 кПа, Т=5200С Q=150 нм3/ч). На диафрагме создается перепал давления пропорциональный расходу природного газа, который подается на измерительный преобразователь разности давления пневматический 13ДД11-720-001-0180-1,0 (поз. 303-2), установленный по месту в утепленном шкафу. Преобразователь 13ДД11 преобразует перепад давления, создаваемый на диафрагме, в стандартный пневматический сигнал , который в виде давления сжатого воздуха поступает на вход вторичного пневматического самопишущего прибора со станцией управления ПВ 10.1Э (поз. 303-3), установленного в ЦПУ на щите контроля. Шкала прибора неравномерная 0 - 6,3 м3/ч. Сигнал преобразователя 13ДД11 (поз. 303-2) подается также на вторичный прибор (поз. 303-1).

Для измерения текущего значения расхода воздуха на трубопроводе подачи воздуха в камеру сжигания устанавливается диафрагма камерная ДК 25-150-П-а/б-3 (поз. 301-1) в комплекте с запорными вентилями (измеряемая среда - воздух Р=20 кПа, Q=2200м3/ч). Перепад давления с диафрагмы подается на пневматический преобразователь 13ДД11-720-0,01-0180-1,0 (поз. 301-2), установленный по месту в утепленном шкафу. С преобразователя (поз. 301-2) стандартный пневматический сигнал в виде давления сжатого воздуха поступает на вход «переменная» вторичного пневматического самопишущего прибора со станцией управления ПВ 10.1Э (поз. 301-3), установленного в ЦПУ на щите контроля. Шкала прибора квадратичная 0-3000 м3/ч.