- По мере прогрева паропровода, когда из дренажей пойдет сухой пар, закрыть дренажный вентиль и медленно поднять давление пара до рабочего.

8.1.Принять пар давлением 6 кгс/см2 для чего:

- Открыть воздушник и дренажный вентиль на коллекторе пара давлением 6 кгс/см2.

- Начать прогрев паропровода от отсечной задвижки перед РОУ 1Т, 2Т до парового коллектора давлением 6 кгс/см2 путем медленного открытия байпаса отсечной задвижки (задвижка на отм.+ 2.000).

- По мере прогрева паропровода, когда из дренажных вентилей пойдет сухой пар, открыть задвижки до и после регулирующего клапана, подать пар через клапан и закрыть байпасы.

- Закрыть воздушник и постепенно набрать рабочее давление. Конденсат при этом отводится через конденсатоотводчик в емкость поз.5Т.

- Перевести регулирующие клапаны на автоматический режим.

8.2. Принять пар давлением 2 кгс/см2 для чего:

- Открыть вентиль на дренажной линии коллектора и воздушник.

- Начать прогрев паропровода от коллектора давлением 6 кгс/см2 до коллектора пара давлением 2 кгс/см2, путем медленного открытия байпаса.

- По мере прогрева паропровода, когда из дренажного вентиля пойдет сухой пар, закрыть дренажный вентиль и направить пар через клапан. Отрегулировать рабочее давление в коллекторе. Конденсат при этом через конденсатоотводчик направляется в емкость.

- Перевести регулирующий клапан на автоматический режим.

8.3. При появлении уровня в емкостях подключить в работу уровнемерную камеру, открыв вентили на ее входе и выходе.

- При достижении уровня 50 % в емкостях перевести регулирование уровня на автоматический режим. При достижении уровня 80 % автоматически включаются насосы и при достижении уровня 20 % насосы автоматически отключаются.

8.4. Пар с производства метанола принимается аналогично пару давлением 2 кгс/см2.

9. Подать деминерализованную воду в систему санитарных скрубберов, для чего набрать уровень в емкостях до 80 %.

10. Включить насос, наладить циркуляцию по схеме:

11. Включить насос и наладить циркуляцию по схеме:

12. Подготовить и пустить в работу факельную установку.

Произвести осмотр технологического оборудования, трубопроводов, средств контроля и автоматизации.

Принять на установку пар, азот, технологический воздух, природный газ.

Продувать факельный трубопровод азотом до тех пор, пока объемная доля кислорода в точке выброса в атмосферу будет не более 2,0 %. Открыть клапан на подаче азота - клапан на природном газе закрыт.

Перед розжигом горелок произвести продувку газом трубопровода, подводящего газ к шкафу СЗФ.

По обводной линии произвести продувку воздухом сливных вентилей, установленных на трубопроводах газовоздушной смеси. Закрыть сливные вентили и вентиль на обводной линии запального шкафа СЗФ, убедиться в целостности смотрового стекла, смесителя и кнопочного поста управления.

Розжиг горелок включает два этапа:

1. Подбор соотношения газа и воздуха в газовоздушной смеси.

2. Дистанционный розжиг горелок.

Для приготовления газовоздушной смеси необходимо:

- подать технологический воздух в шкаф СЗФ и редуктором выставить давление перед камерой смешения (0,7-1,2) кгс/см2.

- подать природный газ в шкаф СЗФ и редуктором выставить давление перед камерой смешения (0,7-1,2) кгс/см2. В зимнее время подать пар на обогрев камеры смешения.

- подать природный газ к контрольной горелке и продуть в течение (5-7) мин.

- открыть вентиль и продуть в течение (5-7) минут газовоздушной смесью трубопровод, перекрыть вентили на манометрах, затем нажатием кнопки "зажигание" в течение (1-2) секунд произвести поджиг смеси, наблюдая при этом за контрольной горелкой.

Если при повторном поджиге зажигание на горелке не произошло, то с помощью клапанов и редукторов изменить соотношение газа и воздуха в смеси и добиться устойчивого горения на контрольной горелке. После чего открыть вентили на манометры и определить давление газа и воздуха, при которых происходит надежный поджиг горелки.

После измерения давления закрыть вентили на манометре с целью защиты их от поломки при воздействии избыточного давления, оставить редукторы в найденном положении. Закрыть вентили подачи газовоздушной смеси природного газа на контрольную горелку.

Розжиг дежурных горелок производится поочередно. Сначала открыть вентиль подачи газовоздушной смеси на 1 горелку. Открыть вентиль подачи природного газа на горелку. После продувки трубопровода газовоздушной смесью в течение 10 минут произвести, кратковременным нажатием кнопки "зажигание", поджиг газовоздушной смеси.

При наличии пламени на дежурной горелке подается сигнал от термопреобразователя и регистрируется повышение температуры на приборе После розжига этой горелки закрыть вентиль подачи газовоздушной смеси на эту горелку. Далее последовательно зажечь оставшиеся две горелки.

После розжига всех горелок закрыть вентили подачи воздуха и природного газа в шкаф СЗФ и вентили коллектора распределения газовоздушной смеси. После окончания розжига дежурных горелок прекратить подачу напряжения на шкаф СЗФ.

13.Включить насос поз. Н3/1-2 и наладить циркуляцию по схеме:

куб колонны поз. К1 - насос поз. Н3/1-2 - воздушный холодильник поз. Х4 -

- куб колонны поз. К1,

куб колонны поз. К1 - насос поз. Н3/1-2 - теплообменник поз. Т6- - 24-я тарелка колонны поз. К6.

14. Включить вентилятор аппарата воздушного охлаждения поз. Х4.

15. Включить насосы поз. Н3/2-3, Н4/1-3 и наладить циркуляцию абсорбционной колонны поз. К1 по контурам:

а) 1-я тарелка - насос поз. Н3/2-3 - теплообменник поз. Т3 - 6-я тарелка;

б) 7-я тарелка - насос поз. Н4/1-2 - теплообменник поз. Т4 - 12-я тарелка;

в)13-я тарелка - насос поз. Н4/2-3 - теплообменник поз. Т5 -

- 18-я тарелка.

16. Подать в конденсатосборник поз. Е13 дем. воду или конденсат пара.

17. При достижении уровня в конденсатосборнике поз. Е4 (40-60) % включить насос поз. Н2/1-2 и подать деминерализованную воду в паросборник поз. Е3.

18. При достижении уровня в паросборнике поз. Е3 и конденсатосборнике поз. Е4 80 % прекратить подачу деминерализованной воды.

19. Приоткрыть вентиль на верхней циркуляционной линии подконтактного холодильника поз. Р1 в конденсатосборник поз. Е4 и наладить циркуляцию по схеме:

конденсатосборник поз. Е4 - насос поз. Н2/1-2 - паросборник поз. Е3 - подконтактный холодильник поз. Р1 - коденсатосборник поз. Е4.

20. Принять пар 2 кгс/см2 в паросборник поз. Е13.

21. Подать пар 2 кгс/см2 в эжектор для прогрева пароконденсатной системы.

22. Регулирование уровней в паросборнике поз. Е3 и конденсатосборнике поз. Е4 перевести на автоматическое управление.

23. Подать пар 6 кгс/см2 в перегреватель поз. Т2.

24. Включить воздуходувку поз. М1/1-3 с ЦПУ или по месту. При снижении пускового тока до минимума открыть электрозадвижку поз. М1-1з на всасе. Довести токовую нагрузку до рабочей, открывая электрозадвижку поз. М1-2з на"свечу". Подавать воздух в систему постепенно открывая электрозадвижку поз. М1-3з, а электрозадвижку поз. М1-2з закрывая и поддерживая при этом рабочую токовую нагрузку для данной воздуходувки.

25.Прогреть контактную массу до 100 °С, для чего:

- открыть вручную задвижку поз. Т1-2 перед спиртоиспарителем;

- открыть электрозадвижки на входе в контактный аппарат и на выходе из него;

- открыть электрозадвижку на выходе выхлопных газов из абсорбционной колонны (электрозадвижка должна быть закрыта).

26.После нагрева контактной массы до 100оС перевести работу воздуходувки поз. М1/1-3 на "свечу", задвижку перед спиртоиспарителем закрыть. Открыть электрозадвижку на обводной линии контактного аппарата. Электрозадвижки, на входе и выходе контактного аппарата должны быть закрыты.

27.Отобрать пробу метанола на входе в цех (с "метанольного кольца") на анализ. Массовая доля метанола должна быть не менее 97 %.

28. Принять метанол в спиртоиспаритель. При достижении уровня в спиртоиспарителе поз. Е2а (40-60) % подачу метанола временно прекратить.

29.Принять пар в теплообменник спиртоиспарителя поз. Т2, перегреватель поз. Т2.

30.Довести температуру метанола в испарителе поз. Е2а до (52-62)оС.

Следить за уровнем в испарителе поз. Е2а. Регулирование уровня в испарителе поз. Е2а перевести на автоматическое управление.

31.Подать воздух расходом (3000-3500)м3/ч через барботер теплообменника спиртоиспарителя поз. Т2.

32.Установить стабильный режим узла спиртоиспарения:

- температура в испарителе поз. Е2а (52-62)оС;

- уровень в испарителе поз. Е2а (40-60) %;

- расход воздуха (3000-3500)м3/ч;

- температура метаноло - воздушной смеси после перегревателя поз. Т2 не менее 90оС; расход метанола, гарантирующий объемную долю метанола в метаноло - воздушной смеси (50-60)%.

Необходимо помнить, что объемная доля метанола в метаноло - воздушной смеси менее 34,7 % приведет к взрыву при включении электрозапала.

33. При установившемся режиме в спиртоиспарителе:

- слить сконденсировавшийся метанол из огнепреградителя поз. Х3 в аварийную емкость;

- отобрать метанол из спиртоиспартеля на анализ (массовая доля метанола не менее 98 %);

- открыть электроэадвижки до и после контактного аппарата и закрыть электрозадвижку на обводной линии, продуть контактныйаппарат метаноло - воздушной смесью в течение (10-20) минут;

- при достижении температуры в контактном слое (90-100)оС включить электрозапал. Следить за разогревом контактной массы через смотровое стекло и за показаниями прибора, контролирующего температуру в слое.

34. При температуре в контактном слое (300-350)оС электрозапал отключить. Дальнейший рост температуры обеспечивается за счет тепла реакции. Допустимой считается скорость подъема температуры (100-150)оС в час.

35. При повышении температуры в контактном аппарате поз. Р10 следить за уровнем в сборниках поз. Е3,Е4, вентиль на циркуляционной линии закрыть.

36. При температуре в зоне реакции (550-600)оС и равномерном свечении контактной массы подать надсмольную или деминерализованную воду на смешение.

37. Постепенно увеличить расход воздуха в системе до 6000м3/ч, не допуская превышения температуры в контактном слое выше 650оС.

38. При установившемся режиме на узлах синтеза и абсорбции формальдегида, по согласованию с персоналом установки термического обезвреживания, направить выхлопные газы из абсорбционной колонны поз.К1 на сжигание или факельную установку.

39. Принять абгазы на факельную установку, для чего:

- продуть факельную систему азотом, в факельную трубу подать природный газ;

- отрегулировать давление природного газа к горелкам;

- уменьшить подачу азота в факельную систему после того, как загорится пламя факела;

- перевести регулирование в автоматический режим, поддерживая давление природного газа к горелкам не менее 1200 кгс/м2 и расход не менее 35м3/ч;

- предупредив аппаратчика сжигания, принять абгазы с узла абсорбции на факельную установку, предварительно открыв арматуру до огнепреградителя и одновременно открывая электрозадвижки после огнепреградителя на сжигание и закрывая электрозадвижку на "свечу" (объемная доля кислорода в абгазах не должна превышать 2,0 %).

Необходимо помнить, что во время работы факельной установки должна быть открыта арматура подачи азота, чтобы обеспечить автоматическую подачу его в лабиринтный затвор при разрежении в трубопроводе абгазов, или в трубопровод абгазов при падении давления природного газа.

Перед подачей абгазов с узла абсорбции на УТО согласовать порядок технологических операций с аппаратчиком сжигания.

40. При массовой доле формальдегида в кубе колонны поз. К1 более 25 % подать воду на орошение колонны поз. К1 с расходом (0,5-1,0)м3/ч и постепенно, в зависимости от концентрации формалина в кубе колонны, довести расход воды до регламентного. Подачу формалина из куба колонны поз. К1 на верх колонны поз. К1 прекратить.

41. При повышении уровня в кубе колонны поз. К1 выше (40-60) % начать отбор формалина в ректификационную колонну поз. К2.

42. При появлении уровня в кубе ректификационной колонны поз. К2 (30-40) % подать пар 2 кгс/см2 в испаритель поз. Т7.

43. Включить вентиляторы аппаратов воздушного охлаждения поз. Х34/1-2.

44. Включить в работу вакуум-насос поз. Н7/1-2.

45. Установить температуру формалина в кубе колонны поз. К2 (90-95)оС.

46. При заполнении дистиллятом емкости поз. Е5 на (40-60) % подать флегму на орошение колонны поз. К2 насосом поз. Н6/1-2.

47. Добиться стабильного разрежения и температуры в ректификационнной колонне поз. К2: Вакуум - верх колонны - -(0,39-0,61)кгс/см2;

низ колонны - -(0,22-0,41) кгс/см2;

Температура - верх колонны - (40-50)оС;

низ колонны - (85-95)оС.

48. При массовой доле метанола в дистилляте не менее 90 % подать его в спиртоиспаритель из емкости поз. Е5 насосом поз. Н6/1-2

49. При достижении уровня формалина в кубе колонны поз. К2 (40-60) % насосом Н5/1-2 начать отбор формалина в стандартизаторы.

50. Стандартный формалин из емкостей насосом откачать на склад готовой продукции.

1.13 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Мероприятия, связанные с охраной окружающей среды подразделяются на: - охрану атмосферного воздуха от загрязняющих веществ;

-снижение концентрации загрязняющих веществ в сточных водах производства.

Твердых отходов в производстве формалина нет.

Охрана атмосферного воздуха.

Возможными источниками загрязнения атмосферы являются:

-абсорбционная колонна поз. К1,

-вакуум-насосы поз. Н7 процесса ректификации,

-сальники насосов,

-воздушки от аппаратов,

-факельная установка,

-дымовая труба УТО,

-парк емкостей формалина и наливная эстакада,

-аппараты катализаторного отделения.

Выбросы формальдегида и метанола на производстве сведены до минимума.

Абсорбционные газы с верха колонны поз. К1 при стабильном ведении процесса получения формалина подаются на установку термического обезвреживания в водогрейные котлы КВГМ-10-150, где сгорают с выделением тепла.

Избыток выхлопных газов с узла абсорбции при работе и при аварии сжигается на факельной установке.

При остановке УТО в течение продолжительного времени возможно сжигание абсорбционных газов на факеле.

При пуске в атмосферу выбрасывается воздух с парами метанола. При остановке технологической нитки абгазы выбрасываются в атмосферу в течение 0,5 часа.

Инертные газы, содержащие метанол и формальдегид, от вакуум-насосов поз. Н7/1-2 направляются в верхнюю часть колонны поз. К1 и далее на сжигание.

Загрязнение воздуха от сальников насосов уменьшается ввиду использования герметичных насосов и насосов с двойным торцевым уплотнением.

Ко всем аппаратам с метанолом и формалином подведено "азотное дыхание", которое объединяются в общий коллектор и направляется на сжигание.

На складе формалина выбросы от "дыхания" емкостей, при приеме и перекачивании формалина, и выбросы с наливной эстакады при заполнении железнодорожных цистерн очищаются частично в ловушках.

В катализаторном отделении очистка выхлопных газов вакуум - насосом от окислов азота и паров азотной кислоты осуществляется в скрубберахмокрой очистки, где для орошения используется 10 % раствор щелочи.

Очистка сточных вод.

Сточные воды от производства формалина, образующиеся при опорожнении промывке насосов, перед ремонтом собираются в подземную емкость и по мере заполнения передавливаются азотом в стандартизатор и далее в процесс.

Сточные воды от смыва полов через приямок у II технологической нитки направляются в химзагрязненную канализацию.

Ливневые стоки с отметок наружной установки через приямки технологических ниток направляются в ливневую канализацию.

Стоки от катализаторного отделения после предварительной нейтрализации растворенной азотной кислоты через подземную емкость направляются в химзагрязненную канализацию.

Стоки от продувки водогрейных котлов, содержащие соли жесткости (Na2СО3, СаСО3, МgСО3) направляются в ливневую канализацию.

Стоки от смыва полов на складе формалина направляются в химзагрязненную канализацию.

2. РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ

2.1 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС

Рис. 2.1 Блок - схема материальных потоков: 1 - приготовление метаноло-воздушной смеси; 2 - контактирование; 3 - абсорбция; 4 - ректификация.

G1 - воздух;

G2 - метанол со склада;

G3 - метанол-ректификат;

G4 - спирто-воздушная смесь;

G5 - контактные газы;

G6 - вода на орошение;

G7 - абсорбционные газы;

G8 - формалин-«сырец»: формальдегид - 28,79%, метанол - 27,24%, вода - 43,97%;

G9 - метанол-ректификат: формальдегид - 97%, метанол - 0,5%, вода - 2,5% ;

G10 - формалин товарный: формальдегид - 37%, метанол - 7%, вода - 56%.

РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ВСЕГО ПРОЦЕССА

Материальный баланс процесса ректификации

Исходные данные

Годовая производительность одной технологической нитки производства - 126666,6 тонн в год или 15833,33 кг/ч, годовой фонд рабочего времени - 8000 ч. Формалин товарный в расходе - 15833,33 кг/ч.

С учетом заводских данных (массовых долей) рассчитываем количество формальдегида, метанола и воды в формалине товарном в приходе:

15833,33*0,37=5858,33 кг/ч (формальдегид);

15833,33*0,07=1108,33 кг/ч (метанол);

15833,33*0,56=8866,66 кг/ч (вода).

Рассчитываем количество формальдегида, метанола и воды в формалине-«сырце» в приходе, зная заводские данные:

Производительность формальдегида в формалине-«сырце» - 5571,75 кг/ч;

Производительность формальдегида в формалине товарном - 5550,00 кг/ч;

5571,75 - 100%

5550,00 - x

x=99,6% (заводская масс. доля формальдегида).

Аналогично рассчитываем для метанола и воды:

5272,50 - 100%

1050,00 - x

x=19,92% (метанол);

8508,90 - 100%

8400,00 - x

x=98,72% (вода).

5858,33 - 99,6%

x - 100%

x=5881,86 кг/ч (производительность формальдегида в формалине-«сырце»);

1108,33 - 19,92%

x - 100%

x=5563,92 кг/ч (производительность метанола в формалине-«сырце»);

8866,66 - 98,72%

x - 100%

x=8981,63 кг/ч (производительность воды в формалине-«сырце»).

Формалин-«сырец» (5881,86 + 5563,92 + 8981,63) = 20427,41 кг/ч.

Производительность формальдегида в метаноле ректификате:

5881,86 - 5858,33 = 23,53 кг/ч.

Производительность метанола в метаноле ректификате:

5563,92 - 1108,33 = 4455,59 кг/ч.

Производительность воды в метаноле ректификате:

8981,63 - 8866,66 = 114,96 кг/ч.

Метанол ректификат (23,53 + 4455,59 + 114,96) = 4594,08 кг/ч.

Материальный баланс стадии ректификации в таблице 9.

Таблица 9 - Материальный баланс стадии ректификации

Приход	Расход
Состав	кг/ч	Массовая доля, %	Состав	кг/ч	Массовая доля,%
1	2	3	4	5	6
[G8] 1. Формалин- «сырец» в т.ч.: -формальдегид -метанол -вода	20427,41 5881,86 5563,92 8981,63	100 28,79 27,24 43,97	[G10] 1. Формалин - товарный в т.ч.: -формальдегид -метанол -вода [G9] 2. Метанол - ректификат в т.ч.: -метанол -формальдегид -вода	15833,33 5858,33 1108,33 8866,66 4594,08 4455,59 23,53 114,96	100 37 7 56 100 97 0,5 2,5
Итого:	20427,41	100	Итого:	20427,41	100

Обозначим массовый расход формалина - «сырца» - G8, массовый расход товарного формалина - G10, массовый расход метанола - ректификата - G9.

Материальный баланс:

GF = Gp + Gw (2.1)

GF = G8; Gp = G9; Gw = G10 (2.2)

G8xF = G9xp + G10xw (2.3)

где, GF, Gp, Gw - массовые расходы: питания, дистиллята и кубового остатка, соответственно.

xF, xp, xw - содержание формальдегида в питании, дистилляте и кубовом остатке соответственно, %.

Решим систему уравнений

 (2.4)

G9=P=4594,97=1,28 кг/с;

G10=W=15833,33 кг/ч=4,39 кг/с.

Товарный формалин: содержание воды - 56% , формальдегида 37% и метанола 7%.

Для дальнейших расчетов необходимо концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка выразить в мольных долях по формуле:

(2.6)

где, a, - концентрации исходной смеси, дистиллята и кубового остатка в массовых долях (a - низкокипящего компонента, b - высококипящего компонента); Ма, Мb - молярные массы низкокипящего и высококипящего компонентов (Мметанол = 32 кг/моль, Мформ-да = 30 кг/моль).

Метанол - низкокипящий компонент (температура кипения 64,5С);

Формальдегид - высококипящий компонент (температура кипения 98,9С).

,

,

.

Материальный баланс процесса абсорбции

Из заводских данных:

Количество формалина-«сырца» - 19353,15 кг/ч;

Итого процесса абсорбции - 29515,65 кг/ч;

29515,65 - 100%

19353,15 - x

x=65,59% (формалин-«сырец»)

Тогда всего в процессе абсорбции будет:

20427,41 - 65,59%

x - 100%

x=31144,09 кг/ч.

Количество выхлопных газов в расходе (31144,09-20427,41)=10716,68 кг/ч.

Тогда рассчитываем количество азота, водорода, углекислого газа, окиси углерода и воды в выхлопных газах:

10716,68 - 100%

x - 77,27%

x=8280,78 кг/ч (азот);

10716,68 - 100%

x - 16,62%

x=1781,11 кг/ч (водород);

10716,68 - 100%

x - 4,14%

x=443,67 кг/ч (углекислый газ);

10716,68 - 100%

x - 0,68%

x=72,87 кг/ч (окись углерода);

10716,68 - 100%

x - 1,29%

x=138,25 кг/ч (вода).

Производительность формалина-«сырца» берется из процесса ректификации.

Вода на орошение

Из заводских данных:

Количество воды в выхлопных газах - 97,50 кг/ч;

Количество воды в формалине-«сырце» - 8508,90 кг/ч;

Вода на орошение заводская в приходе - 5548,35 кг/ч;

97,50+8508,90=8606,4 кг/ч;

8606,4 - 100%

5548,35 - x

x=64,47% .

Количество воды на орошение в расходе:

138,25+8981,63=9119,88 кг/ч;

9119,88 - 100%

x - 64,47%

x=5879,58 кг/ч;

Контактные газы: (31144,09-5879,58)=25264,51 кг/ч.

Количество формальдегида, метанола, углекислого газа, окиси углерода, водорода и азота в контактном газе рассчитывается:

25264,51 - 100%

x - 23,24%

x=5880,86 кг/ч (формальдегид);

25264,51 - 100%

x - 22%

x=5560,91 кг/ч (метанол);

25264,51 - 100%

x - 12,76%

x = 3223,75 кг/ч (вода);

25264,51 - 100%

x - 3,19%

x=805,94 кг/ч (углекислый газ);

25264,51 - 100%

x - 0,58%

x=146,53 кг/ч (водород);

25264,51 - 100%

x - 0,33%

x=83,37 кг/ч (окись углерода);

25264,51 - 100%

x - 37,9%

x=9575,25 кг/ч (азот).

Материальный баланс абсорбционной колонны в таблице 10.

Таблица 10 - Материальный баланс абсорбционной колонны

Приход	Расход
Состав	кг/ч	Массовая доля, %	Состав	кг/ч	Массовая доля, %
1	2	3	4	5	6
1. Контактные газы, в т.ч.: -формальдегид метанол -вода -углекислый газ -водород -окись углерода -азот 2. Вода на орошение	25264,51 5880,86 5560,91 3223,75 805,94 146,53 83,37 9575,25 5879,58	100 23,24 22 12,76 3,19 0,58 0,33 37,9 100	1. Формалин - «сырец» в т.ч.: -формальдегид -метанол -вода 2. Выхлопные газы, в т.ч.: -азот -водород -углекислый газ -окись углерода -вода	20427,41 5881,8 5563,92 8981,63 10716,68 8280,78 1781,11 443,67 72,87 138,25	100 28,79 27,24 43,97 100 77,27 16,62 4,14 0,68 1,29
Итого:	31144,09	100	Итого:	31144,09	100

Материальный баланс стадии контактирования и приготовления спирто-воздушной смеси

Контактирование

Количество контактных газов в расходе равно количеству контактных газов в приходе процесса абсорбции - 25264,51 кг/ч.

Количество контактных газов равно количеству смеси воздух-метанол - 25264,51 кг/ч.

Рассчитываем количество формальдегида, метанола, воды, азота и кислорода в приходе:

25264,51 - 100%

x - 0,09%

x=22,74 кг/ч (формальдегид);

25264,51 - 100%

x - 46,5%

x=11748,00 кг/ч (метанол);

25264,51 - 100%

x - 1,76%

x=444,66 кг/ч (вода);

25264,51 - 100%

x - 40,76%

x= 10297,81 кг/ч (азот);

25264,51 - 100%

x - 10,89%

x=2751,31 кг/ч (кислород).

Спиртоиспарение

Количество смеси воздух-метанол в расходе равно количеству смеси воздух-метанол в приходе процесса контактирования - 25264,51 кг/ч.

Из заводских данных:

Итого процесса спиртоиспарения - 23967,30 кг/ч;

Количество воздуха в приходе - 11988,00 кг/ч;

Количество метанола-ректификата в приходе - 4353,15 кг/ч;

Количество метанола «свежего» в приходе - 7626,15 кг/ч;

23967,30 - 100%

11988,00 - x

x=50,02% (воздух);

23967,30 - 100%

4353,15 - x

x=18,16% (метанол-ректификат);

23967,30 - 100%

7626,15 - x

x=31,82% (метанол «свежий»).

Рассчитываем количество метанола «свежего» в приходе и входящего в него метанола и воды:

25264,51 - 100%

x - 31,82%

x=8039,17 кг/ч (метанол «свежий»);

8039,17 - 100%

x - 99,9%

x=8031,13 кг/ч (метанол);

8039,17 - 100%

x - 0,1%

x=8,04 кг/ч.

Рассчитываем количество метанола-ректификата в приходе и входящего метанола, формальдегида и вода:

25264,51 - 100%

x - 18,16%

x=4588,04 кг/ч (метанол-ректификат);

4588,04 - 100%

x - 97%

x=4450,39 кг/ч (метанол);

4588,04 - 100%

x - 0,5%

x=22,94 кг/ч (формальдегид);

4588,04 - 100%

x - 2,5%

x=114,70 кг/ч (вода).

Рассчитываем количество воздуха в приходе и входящего в него кислорода, азота и воды:

25264,51 - 100%

x - 50,02%

x=12637,31 кг/ч (воздух);

12637,31 - 100%

x - 20,7%

x=2615,92 кг/ч (кислород);

12637,31 - 100%

x - 77,5%

x=9793,91 кг/ч (азот)

12637,31 - 100%

x - 1,8%

x=227,47 кг/ч (вода).

Материальный баланс стадии контактирования и приготовления спирто - воздушной смеси в таблице 11.

Таблица 11 - Материальный баланс стадии контактирования и приготовления сприрто - воздушной смеси

Приход	Расход
Состав	кг/ч	Массовая доля, %	Состав	кг/ч	Массовая доля, %
Контактирование
1. Смесь воздух - метанол, в т.ч.: формальдегид -метанол -вода -азот -кислород	25264,51 22,74 11748,00 444,66 10297,81 2751,31	100 0,09 46,5 1,76 40,76 10,89	1 Контактные газы, в т.ч.: формальдегид -метанол -вода -углекислый газ -окись углерода -водород -азот	25264,51 5880,86 5560,91 3223,75 805,94 146,53 83,37 9575,25	100 23,24 22 12,76 3,19 0,33 0,58 37,9
Итого:	25264,51	100	Итого:	25264,51	100
Приход	Расход
Состав	кг/ч	Массовая доля, %	Состав	кг/ч	Массовая доля, %
Спиртоиспарение
Метанол «свежий» в т.ч.: -метанол -вода 2. Метанол - ректификат, в т.ч.: -метанол -формальдегид -вода 3. Воздух, в т.ч.: -кислород -азот -вода	8039,17 8031,13 8,04 4588,03 4450,39 22,94 114,70 12637,31 2615,92 9793,91 227,47	100 99,9 0,1 100 97 0,5 2,5 100 20,7 77,5 1,8	Смесь воздух - метанол, в т.ч.: -формальдегид -метанол -вода -азот -кислород	25264,51 22,74 11748,00 444,66 10297,81 2751,31	100 0,09 46,5 1,76 40,76 10,89
Итого:	25264,51	100	Итого:	25264,51	100

Построение диаграмм

Для идеальных смесей диаграммы можно построить путем расчета, исходя из значений давлений паров чистых компонентов РН.К и РВ.К при различных температурах. Для этого можно воспользоваться уравнением:

(2.7)

Решив от относительно x, получим:

(2.8)

Таким образом, выбрав ряд температур (в пределах между температурами кипения чистых компонентов), можно вычислить состав жидкости, кипящей при данной температуре. Далее, определив парциальное давление НК по формуле:

(2.9)

находим состав паров:

(2.10)

где, Робщ = 427 мм рт. ст. Давление общее соответствует давлению верха колонны.

Давление верха равно 0,057 Мпа;

Переводим в мм рт. ст.: 0,057*106Па*760 мм рт. ст. /101325 Па = 427,5 мм рт. ст.

Данные расчета сводятся в табл.12 (расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид).

Рассчитываем давление (Рн.к) для метанола.

Данные значений давлений низкокипящего компонента (метанол) при различных температурах берем из [1, стр.26 ].

Из данных [1, стр.26 ] рассчитываем давление при известных температурах.

Интервал температур от 64,7 до 98,9С.

При температуре 60С давление составляет 625 мм рт. ст., а при температуре 70С давление равно 927 мм рт. ст.

1) Находим давление при температуре 64,7С:

(927 - 625)/10 = 30,2 на 1С;

(64,7 - 60)*30,2 = 142,4;

625 + 142,4 = 767,4 мм рт. ст..

2) Находим давление при температуре 68,12С:

(68,12 - 60)*30,2 = 246,1;

625 + 246,1 = 871,1 мм рт. ст..

При температуре 70С давление составляет 927 мм рт. ст., а при температуре 80С давление равно 1341 мм рт. ст.

3) Находим давление при температуре 71,54С:

(1341 - 927)/10 = 41,4 на 1С;

(71,54 - 70)*41,4 = 64,2;

927 + 64,2 = 991,2 мм рт. ст..

4) Находим давление при температуре 74,96С:

(74,96 - 70)*41,4 = 206,7;

927 + 206,7 = 1133,7 мм рт. ст..

5) Находим давление при температуре 78,38С:

(78,38 - 70)*41,4 = 349,2;

927 + 349,2 = 1276,2 мм рт. ст..

При температуре 80С давление составляет 1341 мм рт. ст., а при температуре 90С давление равно 1897 мм рт. ст.

6) Находим давление при температуре 81,8С:

(1847 - 1341)/10 = 55,6 на 1С;

(81,8 - 80)*55,6 = 100;

1341 + 100 = 1441 мм рт. ст..

7) Находим давление при температуре 85,22С:

(85,22 - 80)*55,6 = 290;

1341 + 290 = 1631 мм рт. ст..

8) Находим давление при температуре 88,64С:

(88,64 - 80)*55,6 = 480;

1341 + 480 = 1821 мм рт. ст..

При температуре 90С давление составляет 1897 мм рт. ст., а при температуре 100С давление равно 2621 мм рт. ст.

9) Находим давление при температуре 92,06С:

(2621 - 1897)/10 = 72,4 на 1С;

(92,06 - 90)*72,4 = 147,1;

1897 + 147,1 = 2044,1 мм рт. ст..

10) Находим давление при температуре 95,48С:

(95,48 - 90)*72,4 = 391,4;

1897 + 391,4 = 2288,4 мм рт. ст..

11) Находим давление при температуре 98,9С:

(98,9 - 90)*72,4 = 635,7;

1897 + 635,7 = 2532,7 мм рт. ст..

Данные расчета сводятся в табл.12 (расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид).

Рассчитываем давление (Рв.к) дла формальдегида.

Из экспериментальных данных о фазовом равновесии системы находятся константы А, В и С в уравнении Антуана, описывающего температурную зависимость давления паров некоторого гипотетического состояния формальдегида в чистом виде, но с учетом взаимодействия с водой [1, стр 35 ]. Полученное выражение имеет вид:

(2.11)

(2.12)

1) Находим давление при температуре 64,7С:

P = 70,3 мм рт. ст..

2) Находим давление при температуре 68,12С:

P = 83,8 мм рт. ст..

3) Находим давление при температуре 71,54С:

P =99,3 мм рт. ст..

4) Находим давление при температуре 74,96С:

P = 117,2 мм рт. ст..

5) Находим давление при температуре 78,38С:

P = 138 мм рт. ст..

6) Находим давление при температуре 81,8С:

P = 161,4 мм рт. ст..

7) Находим давление при температуре 85,22С:

P = 188,8 мм рт. ст..

8) Находим давление при температуре 88,64С:

P = 219,3 мм рт. ст..

9) Находим давление при температуре 92,06С:

P = 254,7 мм рт. ст..

10) Находим давление при температуре 95,48С:

P = 293,8 мм рт. ст..

11) Находим давление при температуре 98,9С:

P = 338,8 мм рт. ст..

Данные расчета сводятся в табл.12 (расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид)

Далее рассчитываем состав жидкости по формуле (2.8):

Данные расчета сводятся в табл.12 (расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид).

Находим состав паров по формуле (2.10):



Данные расчета сводятся в табл.12 (расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид).

Таблица 12 - Расчет равновесного состава жидкости и пара смеси метанол - формальдегид

t,C	Рн.к	Рв.к	X	Y
	мм рт. ст.	мольные доли
64,7	767,4	70,3	0,51	0,92
68,12	871,1	83,8	0,44	0,89
71,54	991,2	99,3	0,37	0,86
74,96	1133,7	117,2	0,31	0,82
78,38	1276,1	138	0,25	0,75
81,8	1441	161,4	0,21	0,71
85,22	1631	188,8	0,17	0,65
88,64	1821	219,3	0,13	0,55
92,06	2044,1	254,7	0,10	0,48
95,48	2288,4	293,8	0,06	0,32
98,9	2532,7	338,8	0,04	0,24

Построение кривой равновесия пара и жидкости на диаграмме X - Y показано на рис.2.2. На осях откладывается максимальная концентрация низкокипящего компонента (в данном случае метанола) в паровой yм и жидкой xм фазах (100%), строится квадрат. Через полученную точку А и начало координат О проводим вспомогательную линию - диагональ ОА. Кривую равновесия строим в заданном масштабе по xм и yм при различных температурах (см. табл. 12). На пересечении перпендикуляров, восстановленных из точек x1, y1; x2, y2; x3, y3; … …, получаем точки А1, А2, А3, … Соединяя эти точки плавной линией, получаем кривую равновесия. Если линия равновесия лежит выше диагонали, то пары обогащаются низкокипящим компонентом. Чем ближе линия равновесия к диагонали, тем меньше разница составов пара и жидкости и тем труднее разделяется смесь при ректификации.

График изменения составов жидкости и пара от температуры t - X - Y строится следующим образом (рис.2.3). В соответствии с табл. 12 отложим на оси ординат температуры кипения чистых компонентов tA и tB (А - метанол, В - формальдегид) и температуры кипения t1, t2, t3, …, соответствующие составам жидкой фазы x1, x2, x3, … Восстановим из этих точек перпендикуляры и, соединив точки А1, А2, А3, … плавной линией, получим кривую ВА1А2А3 … А - линию кипения жидкости. Затем на оси абсцисс откладываем составы паровой фазы y1, y2, y3, …, равновесной с данной кипящей жидкостью, и проводим перпендикуляры до пересечения с линиями, проведенными через t1, t2, t3, … Соединив точки пересечения В1, В2, В3, …, В плавной линией, получим кривую ВВ1В2В3 … А - линию конденсации. С помощью этого графика можно определить температуру жидкости и пара любого состава и наоборот, найти составы жидкости и пара при заданной температуре. Для определения температуры кипения исходной смеси проводим вертикаль из точки xF, соответствующей концентрации исходной смеси по низкокипящему компоненту, до пересечения с линией кипения жидкости в точке А. Из точки А опускаем перпендикуляр на ось y и находим значение температуры кипения tF.

Таким образом tF = 76,9С. Аналогично для дистиллята и кубового остатка: tP = 64,8C, tW = 98,4C.

Состав пара yF = 0,788, yP = 0,998, yW = 0,164.

Определение рабочего флегмового числа

Рабочее флегмовое число рассчитывается по формуле:

(2.13)

Минимальному флегмовому числу Rmin соответствует положение линий рабочих концентраций АВ и ВС (рис.2.2):

(2.14)

где, y*, x* - координаты точек пересечения линий питания с линией равновесия (yF* = 0,778, xF* = 0,27);

xp и xf - массовый состав дистиллята и исходной смеси.

Графическое определение минимального флегмового числа

На рис.2.2 проводим прямую СЕ через точку В пересечения вертикали с линией равновесия и через точку С на диагонали, соответствующую составу дистиллята xp. Измерив отрезок b0, отсекаемый прямой СЕ на оси ординат, находят Rmin из формулы:

(2.15)

где, xp - мольный состав дистиллята;

откуда

b0 = 0,70,

Графическое определение рабочего флегмового числа

Оптимальное рабочее флегмовое число R предложено находить по минимальному значению N(R+1), полагая, что это произведение пропорционально объему ректификационной колонны (N - число ступеней изменения концентрации или теоретических тарелок).

Задавшись различными коэффициентами избытка флегмы , определим соответствующие флегмовые числа R [2, стр. 46 ]. По формуле (2.15) рассчитываем величину b; графическим построением ступеней изменения концентраций между равновесной и рабочими линиями на диаграмме Y - X находим N и далее N(R+1). Построение рабочих линий и ступеней изменения концентраций выполняется для каждого заданного коэффициента избытка флегмы и рассчитанного флегмового числа.

Вычисляем R, b, N, N(R+1) при различных значениях :

флегмовое число вычисляем по формуле (2.13), а b0 по (2.15):



Чтобы определить количество тарелок, надо графически изобразить линии рабочего процесса в колонне. Колонну непрерывного действия от места ввода исходной смеси делят на две части: верхняя часть колонны называется укрепляющей, а нижняя часть - исчерпывающей. Для укрепляющей части колонны уравнение линии рабочих концентраций определяется соотношением (2.16):

,

в котором выражение R/(R+1) есть тангенс угла наклона линии, а отрезок, отсекаемый линией на оси y, определяется зависимостью b = xp/(R+1). Для построения линий рабочих концентраций укрепляющей и исчерпывающей части колонны откладываем на оси абсцисс точки А, В, С (рис 2.3), соответствующие составам кубового остатка xw, исходной смеси xf и дистиллята xp, проводим через точки А и С вертикали до пересечения с диагональю и получаем точки А1 и С1. Откладываем на оси ординат отрезок ОЕ, длина которого определяется соотношением b = xp/(R+1). Через точки С1 и Е проводим прямую С1Е, а через точку В - вертикаль до пересечения с линией С1Е и получаем точку В1. Соединяем точки А1 и В1 линией А1В1. Отрезок С1В1 - линия рабочих концентраций укрепляющей части колонны, отрезок А1В1 - линия концентраций исчерпывающей части колонны. Число теоретических тарелок находим путем построений ступенчатой линии между линией равновесия и линиями рабочих концентраций в пределах от xw до xp. Эту процедуру делаем 6 раз т. к. дано 6 значений b т.е. отрезков ОЕ.

Количество ступеней (тарелок), полученные из рис.2.3 равно: 13, 9, 8, 7, 8, 5.

Полученные значения заносим в таблицу 13.

Таблица 13

	1,07	1,36	1,74	2,33	3,30	5,26
R	0,428	0,544	0,696	0,932	1,32	2,104
b	0,69	0,63	0,58	0,51	0,42	0,32
N	13	9	8	7	8	5
N(R+1)	18,564	13,896	13,568	13,524	18,56	15,52

Результаты вычислений и построений представлены на рис.2.4

Рис. 2.4 Определение оптимального рабочего флегмового числа

Минимальное произведение N(R+1) соответствует оптимальному рабочему флегмовому числу, Ropt = 0,932.

Определение действительного числа тарелок

Действительное число тарелок в ректификационных колоннах всегда больше теоретического числа, поскольку в реальных условиях равновесие фаз в результате контактного тепломассообмена на тарелках не достигается. Другими словами, коэффициент полезного действия тарелки всегда меньше единицы. Известно несколько методов расчета действительного числа тарелок. В данном случае мы используем графоаналитический метод, как наиболее простой и менее трудоемкий, хотя и несколько менее точный. В соответствии с этим методом действительное число тарелок определяется по уравнению:

(2.17)

здесь - усредненный коэффициент полезного действия тарелки для всей колонны в целом [4, стр. 65];

N - теоретическое число тарелок.

По литературным данным к. п. д. тарелки изменяется в пределах = 0,2 0,9. При выборе значения к. п. д. тарелки можно пользоваться обобщенным графиком [4, стр. 32] зависимости к. п. д. от произведения относительной летучести на динамический коэффициент вязкости (в мПа*с) перегоняемой смеси.

Относительную летучесть определяют по формуле:

(2.18)

где, y* и x* - соответственно равновесные составы паровой и жидкой фаз на соответствующих тарелках (y*нк = 0,712, x*нк = 0,212).

y* и x* определяем из рис. 2 при средней температуре верха и низа колонны: .

Динамический коэффициент вязкости смеси определяется по формуле:

(2.19)

где, - динамическая вязкость веществ (метанола, формальдегида и воды) при tср, Па*с;

М - молекулярные массы веществ (метанола, формальдегида и воды);

Тср - средняя температура в К (81,6 + 273 = 354,6С).

Рассчитываем вязкость воды и метанола при tср.= 81,6С:

Данные взяты из справочника [5, стр. 61 ].

При температуре 80С вязкость равна 0,657 Па*с, а при температуре 100С вязкость равна 0,234 Па*с, определяем вязкость при 81,6С:

(0,657 - 0,234)/20*1,6 = 0,00003384 Па*с;

0,657 - 0,00003384 = 0,66 Па*с (вода).

При температуре 80С вязкость равна 0,29 Па*с, а при температуре 100С вязкость равна 0,24 Па*с, определяем вязкость при 81,6С:

(0,29 - 0,24)/20*1,6 = 0,0000064 Па*с;

0,29 - 0,0000064 = 0,29 Па*с (метанол).

Вязкость формальдегида принимаем 0,91 кг*с/м2 из [6, стр. 78].

Переводим в Па*с:

0,91 кг*с/м2 = 0,000091 кг*с/см2,

1 кг*с/см2 - 9,8*104 Па

0,000091 - x

x = (0,000091*9,8*104)/1 = 8,918 Па = 8,918/3600 = 0,0025 Па*с.

КПД 0,27;

2.2 ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

Тепловой баланс ректификационной колонны непрерывного действия с дефлегматором составляется для определения расхода греющего пара на процесс ректификации.

Приход теплоты:

1) с исходной смесью

(2.20)

2) с флегмой

(2.21)

3) с греющим паром

(2.22)

Расход теплоты:

1) с кубовым остатком

(2.23)

2) с парами низкокипящего компонента из колонны

(2.24)

3) с конденсатом греющего пара

(2.25)

4) потери теплоты в окружающую среду Qпот.

Таким образом,

(2.26)

Подставим в уравнение (2.26)

получим

(2.27)

где, W, P - производительность кубового остатка и дистиллята, кг/с;

R - флегмовое число;

Cpw, Cpf - теплоемкости кубового остатка и дистиллята, Дж/кг*К;

tw, tf - температуры кипения кубового остатка и дистиллята, С;

rф - теплота парообразования флегмы, Дж/кг (rф = rp);

Iп - энтальпия пара, выходящего из колонны, Дж/кг.

Расход греющего пара в кубе

(2.28)

Расход греющего пара на нагревание исходной смеси в подогревателе:

(2.29)

Для выполнения тепловых расчетов необходимо определить теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка при температурах их кипения.

Рассчитываем теплоемкости метилового спирта при 64,8; 76,9 и 98,4С:

При температуре 60С теплоемкость равна 0,66 ккал/кг*град, а при 80С теплоемкость равна 0,684 ккал/кг*град [5, стр.69].

Определяем теплоемкость при температуре 64,8С:

(0,684 - 0,66)/20*4,8 = 0,00576;

0,66 + 0,00576 = 0,67 ккал/кг*град;

Срр = 0,67*4190 = 2807,3 Дж/кг*К.

Определяем теплоемкость при температуре 76,9С:

(0,684 - 0,66)/20*16,9 = 0,02028;

0,66 + 0,02028 = 0,68 ккал/кг*град;

Срf = 0,68*4190 = 2849,2 Дж/кг*К.

При температуре 80С теплоемкость равна 0,684 ккал/кг*град, а при 100С теплоемкость равна 0,708 ккал/кг*град [6, стр. 78].

Определяем теплоемкость при температуре 64,8С:

(0,708 - 0,684)/20*18,4 = 0,02208;

0,684 + 0,02208 = 0,71 ккал/кг*град;

Срw = 0,71*4190 = 2974,9 Дж/кг*К.

Рассчитываем теплоемкости формальдегида при 64,8; 76,9 и 98,4С по формуле:

(2.30)

где, a, b, c - коэффициенты, взятые из [справ.], (а = 18,82; b = 58,38*102; с = -15,61*106);

Т - температура кипения исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, в К.

При tp = 64,8C; T = 337,8 K;

При tf = 76,9C; T = 349,9 K.

При tw = 98,4C; T = 371,4 K.

Теплоемкости исходной смеси, дистиллята и кубового остатка, представляющих смесь метилового спирта и формальдегида, определяются по формуле:

(2.31)

где, Cp - теплоемкости метанола и формальдегида, Дж/кг*К;

- массовый состав дистиллята, исходной смеси и кубового остатка.

Теплоту парообразования флегмы при t = 64,8С (температура кипения метанола) определяем по метанолу и воде, т.к. формальдегида очень мало и им можно пренебречь:

(2.32)

где, rнк, rвк - теплоты образования метанола и воды, Дж/кг;

- массовый состав дистиллята.

Находим теплоту парообразования метанола при t = 64,8С:

При температуре 60С теплота парообразования равна 265 ккал/кг, а при 80С теплота парообразования равна 252 ккал/кг [5, стр. 90].

(265 - 252)/20*4,8 = 3,12;

265 - 3,12 = 261,88 ккал/кг = 261,88*4,19 = 1097,28 кДж/кг.

Теплота парообразования воды принимается из [5. стр, 78]

r = 2336 кДж/кг (при Т = 68,7С, т Р = 0,3 кг*с/см2).

Энтальпия пара, выходящего из колонны определяется по формуле:

(2.33)

Потери теплоты принимаем равными 3% от ее расхода в кубе.

Расход теплоты в кубе колонны с учетом тепловых потерь определяем по формуле (2.27):

Расход греющего пара в кубе колонны по формуле (2.28):

где, rгр.п = 2206*103 Дж/кг (определяется из справ. по tw=98,4C при t = 119,6С);

Принимая повышение температуры воды в холодильнике на 20С, определяем расход воды:

в дефлегматоре по формуле:

(2.34)

где,

Cpв - теплоемкость воды, 4190 Дж/кг*К.

в холодильнике дистиллята

(2.35)

в холодильнике кубового остатка

(2.36)

Общий расход воды равен:

2.3 ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

1. Определение объемов пара и жидкости, проходящих через колонну

Сначала определим мольные массы жидкостей и паров, средние мольные и массовые концентрации жидкостей и паров в колонне.

Средний мольный состав жидкости:

в верхней части колонны определяется

(2.37)

где, xf, xp - мольный состав исходной смеси и дистиллята.

в нижней части колонны по формуле:

(2.38)

где, xw, xf - мольный состав кубового остатка и исходной смеси.

Средний массовый состав жидкости:

в верхней части колонны по формуле:

 (2.39)

где, - массовый состав исходной смеси и дистиллята.

в нижней части колонны

(2.40)

где, - массовый состав исходной смеси и кубового остатка.

Средняя мольная масса жидкости:

в верхней части колонны

(2.41)

в нижней части колонны

(2.42)

Мольная масса:

дистиллята по формуле:

(2.43)

исходной смеси:

(2.44)

кубового остатка

(2.45)

Средний мольный состав паров:

в верхней части колонны

(2.46)

в нижней части колонны

(2.47)



Средняя мольная масса паров:

в верхней части колонны

(2.48)

в нижней части колонны

(2.49)

Средняя плотность жидкости:

в верхней части колонны

(2.50)

где, - плотность метанола и формальдегида, кг/м3.

Плотности НК и ВК компонентов выбирают при средней температуре tср в нижней и верхней частях колонны:

(2.51)



Определяем плотность метанола по tср по данным взятым из справочника [4, стр. 68 ].

При температуре 60С плотность равна 756 кг/м3, а при температуре 80С - 736 кг/м3. Находим при температуре 70,9С:

(756 - 736)/20*10,9 = 10,9;

756 - 10,9 = 745,1 кг/м3.

А при температуре 87,6С:

(736 - 714)/20*7,6 = 8,36;

736 - 8,36 = 727,6 кг/м3.

Плотность формальдегида берем из справ.[4, стр. 57]: при температуре 70,9С плотность равна 0,263 кг/м3, а при температуре 87,6С - 0,131 кг/м3.

в нижней части колонны

(2.52)

Средняя плотность пара по формуле:

в верхней части колонны

(2.53)

в нижней части колонны

(2.54)

Массовый расход жидкости:

в верхней части колонны

(2.54)

где, Р - производительность по дистилляту, кг/с;

R - флегмовое число.

в нижней части колонны

(2.55)

где, F - производительность по исходной смеси, кг/с;

Мp, Mf - мольная масса дистиллята и исходной смеси, кг/кмоль.

Массовый поток пара:

в верхней части колонны

(2.56)

в нижней части колонны

(2.57)

2. Расчет скорости пара и диаметра колонны

Допустимую скорость паров в колонне с колпачковыми тарелками находится по формуле:

(2.58)

где, - допустимая скорость паров, м/с;

dk - диаметр колпачка, м (выбираем из справ. [2, стр. 34 ] 80 мм = 0,08 м);

Ht - расстояние между тарелками, м (выбираем из справ. [2, стр. 25 ] 0,37 м);

- средняя плотность жидкости пара в верху и внизу колонны, кг/м3.

Для верхней и нижней части колонны предельная скорость паров в колонне определяется по формуле:

В соответствии с рекомендациями рабочую скорость паров в колонне определяем по формуле:

(2.59)

Рабочую скорость паров в верхней и нижней части колонны соответственно равна:

Диаметр колонны определяется по формуле:

(2.60)

где, G - массовый поток пара в верхней и нижней части колонны, кг/с;

- рабочая скорость паров в верхней и нижней части колонны, м/с;

- средняя плотность пара в верхней и нижней части колонны, кг/м3.

Ориентировочный диаметр верхней и нижней части колонны:

Тогда

Принимая ректификационную колонну с диаметром в верхней и нижней части, равным 1000 м. При этом действительная рабочая скорость пара при средней скорости паров будет равна:

(2.61)

По ОСТ 26 - 808 - 73 для колонны с диаметром 1000 м выбираем колпачковую тарелку, снабженную капсульными колпачками типа ТСК - Р со следующими конструктивными размерами: площадь поперечного сечения 0,78 м2; число колпачков 43 шт; шаг колпачков 110 мм; расстояние между тарелками 300 мм; площадь поперечного сечения паровых патрубков 0,088 м2; диаметр колпачка 80 мм; высота прорези 20 - 30 мм; длина линии барботажа 10,8 м; периметр слива Lc - 0,665 м ;сечение перелива 0,064 м2; свободные сечения тарелки 0,09 м2; относительная площадь прохода пара 11,5%; масса 57,8 кг [ ].

Расчет высоты колонны

Расчет высоты тарельчатой колонны рассчитывается по формуле:

(2.62)

где, - высота тарельчатой (рабочей) части колонны, м;

Zв - расстояние от верхней тарелки до крышки принимается равной 0,8 м (в зависимости от диаметра колонны);

Zн - расстояние от нижней тарелки до днища принимается 1,7 м (в зависимости от диаметра колонны);

Расчет тепловой изоляции

Основной целью расчета тепловой изоляции является выбор теплоизоляционного материала и расчет его толщины для минимизации тепловых потерь в окружающую среду и обеспечения требований техники безопасности. Обычно, расчет тепловой изоляции проводят из условия заданной температуры наружного слоя изоляции, которая не должна превышать 45С. Толщину слоя теплоизоляционного материала определяют по уравнению:

(2.63)

где, t и tст - соответственно температура внутреннего слоя тепловой изоляции (температуру внутреннего слоя тепловой изоляции t можно принять равной температуре среды в колонне t = tср = 81,6С) и tст = 45С;

- тепловые потери в окружающую среду, Дж;

- суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением, Вт/м2*К;

- коэффициент теплопроводности, Вт/м*К;

Fн - поверхность теплообмена, м2

Поверхность колонны определяется по формуле:

(2.64)

(2.65)

(2.66)

где, Fкол - поверхность колонны, м2;

Fкр - поверхность крышки, м2;

Dср - 1 м.

Величину тепловых потерь в окружающую среду можно рассчитать по уравнению теплоотдачи:

(2.67)

где, tокр - температура окружающей среды равна 5С;

- суммарный коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением,

.

Выбираем коэффициент теплопроводности из справ. [3, стр. 43 ] равный 0,076 Вт/м*К, материал - шлаковая вата.

Толщину слоя теплоизоляционного материала:

2.4 ГИДРАВЛИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Основной целью гидравлического расчета является определение гидравлических сопротивлений, которые возникают в процессе прохождения пара через ректификационную колонну из куба через контактные устройства в дефлегматор. В целом общие потери напора для всех ректификационных колонн позволяют рассчитать необходимое повышение температуры кипения смеси в кубе колонны.

Общие потери давления Р на одной отдельно взятой тарелке составят:

(2.68)

где, Рс - сопротивление сухой тарелки, Па;

Рж - сопротивление слоя жидкости, Па;

Р - сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости, Па.

Сопротивление сухой тарелки по формуле:

(2.69)

где, - средняя плотность пара в верхней и нижней части колонны, кг/м3;

- скорость пара в горловине колпачка, м/с (определяется по объемному расходу пара и поперечному сечению паровых патрубков).

Объемный расход пара равен:

(2.70)

где, S - поперечное сечение паровых патрубков равное 0,088 м2, берется из справ. [3, стр. 23 ];

V - объемный расход пара находится по формуле:

(2.71)

где, Мср - средняя мольная масса паров.

Объемный расход пара в верхней и нижней части колонны:

Скорость пара в горловине колпачка для верха и низа колонны:

Сопротивление сухой тарелки для верха и низа колонны:

Сопротивление слоя жидкости по формуле:

(2.72)

где, - средняя плотность жидкости в верхней и нижней части колонны, кг/м3;

g - 9,8 м/с2;

h - высота барботажного слоя жидкости на тарелке, м (из справ. [3, стр. 56] равная 35,5 м = 0,0355 м).

Сопротивление за счет поверхностного натяжения жидкости - Р для колпачковых тарелок незначительно и им допускается пренебречь.

Общие потери давления Р на одной отдельно взятой тарелке:

2.5 МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Расчет

Исходные данные

D = 100 см - внутренний диаметр аппарата;

Р = 1 кг*с/см2 - расчетное наружное давление;

t = 100С - расчетная температура;

= 1600 кг*с/см2 - допускаемое напряжение для стали 09Г2С при t = 100С;

Е = 1,91*106 кг*с/см2 - модуль продольной упругости для 09Г2С при t = 100С;

С = 0,35 см - толщина плакирующего слоя;

Е = 1,99*106 кг*с/см2 - модуль продольной упругости для стали 09Г2С при t = 20С;

= 2800 кг*с/см2 - предел текучести для стали 09Г2С при t = 20С.

Расчет обечайки

Обечайка нагружена наружным давлением.

Толщину стенки приближенно определяем по формуле:

(2.73)

Коэффициент К2 определяем по номограмме. Для этого находим К1 и К3:

К2 = 0,82,

Значит SR = 0,82 см.

Исполнительная толщина S SR +C,

S 0,82 + 0,35 + 0,156 = 2,806 см.

Принимаем исполнительную толщину S = 20 мм и укрепляем обечайку ребрами жесткости.

Условие применения формул:

Условие выполняется.

Расчетные параметры подкрепленной обечайки:

эффективная длина стенки обечайки:

где, l1 = 200 см - расстояние между двумя кольцами жесткости по осям;

t = 4,6 см - ширина поперечного сечения кольцами жесткости в месте его приварки к обечайке (рис 2.5)

l = 5,755 см;

h2 = 11 см;

IК = 174 см4;

Ак = 10,9 см2.

Эффективный момент инерции расчетного поперечного сечения кольца жесткости:

(2.74)

Коэффициент жесткости обечайки, подкрепленной ребрами жесткости:

(2.75)

Допускаемое наружное давление определяется из условия:

где, - допускаемое наружное давление, определяемое исходя из условия устойчивости всей обечайки;

- допускаемое наружное давление, определяемое исходя из условий устойчивости обечайки между кольцами жесткости.