Проектирование производства по получению карбинола (метанола)

АННОТАЦИЯ

Том 1, с. , табл. , рис. , библиографических ссылок , приложение .

Карбинол, синтез, реактор, катализатор, синтез-газ.

В данном дипломном проекте разработано производство карбинола-сырца на основе синтез-газа производительностью 150000 тонн в год. Изложены теоретические основы получения карбинола. Приведены расчеты материального и теплового балансов. Выполнены механические и технологические расчеты, разработана схема КИПиА.

Разработан раздел "Безопасность жизнедеятельности", рассмотрены вопросы гражданской обороны.

По итогам разработки экономической части проекта себестоимость карбинола-сырца годового выпуска составляет 759000,0 тыс.руб.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1 .ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТАДОВ ПРОИЗВОДСТВА КАРБИНОЛА

Трехфазный синтез карбинола

Синтез карбинола непосредственным окислением природного газа

Жидкофазное окисление попутных газов

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО МЕТОДА ПРОИЗВОДСТВА И РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА

3. ЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1.Физико-химические основы процесса

Требования, предъявляемые к свежему газу

Температура процесса

Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

Характеристика производимой продукции

Описание технологической схемы производства
3.4.1. Нормы технологического режима

3.5.Материальный баланс производства

4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1. Тепловой расчет

Теплота, поступающая с исходной реакционной смесью и теплота,
уносимая продуктами реакций

Теплота химического превращения

Потери тепла в окружающую среду

Тепло, поступающее в реактор с электрообогревом

4.2.Механический расчет реактора

Расчет обечайки

Расчет днища и крышки реактора

Расчет опорной конструкции

Расчет штуцеров реактора и подбор фланцев к ним

4.3. Технологические и конструктивно - механические расчеты
вспомогательного оборудования

4.3.1. Расчет теплообменника

4.3.2. Расчет аппарата воздушного охлаждения

4.3.3. Расчет и подбор ёмкостей

4.4.4. Подбор насосно - компрессорного оборудования

5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Основные исходные данные

Определение потребителей электроэнергии и их мощности

Выбор рода тока и напряжения питания

Выбор типа электродвигателей и других силовых потребителей

Расчет установленной мощности освещения

Определение электрической нагрузки

Выбор схемы передачи и распределения электроэнергии

6. АНАЛИТИЧЕСКИЙ КОНТРОЛЬ ПРОИЗВОДСТВА

7. КОНТРОЛЬНО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СРЕДСТВА АВТОМАТИЗАЦИИ

Описание схемы автоматизации

Описание САР температуры подачи синтез-газа "холодного" байпаса

Спецификация на приборы и средства автоматизации

8. БЕЗОПАСНОСТЬ ЖИЗНЕДЕЯТЕЛЬНОСТИ

Характеристика потенциальных опасностей и вредностей, которые
могут возникнуть при реализации разрабатываемого проекта

Токсичные и взрывопожароопасные характеристики используемых
веществ

Классификация и категорирование производства

Санитарно-гигиеническая характеристика производства

8.5. Безопасность технологического процесса и оборудования.
Электробезопасность

Пожарная безопасность

Защита окружающей среды

Предупреждение чрезвычайных ситуаций

Расчетно - аналитическая часть. Токсичность и взрывоопасность вещества (материала)

8.9.1. Элемент паспорта безопасности карбинола

8.10. Гражданская оборона

9. СТРОИТЕЛЬНАЯ ЧАСТЬ

9.1. Выбор места строительства

Материалы и тип основных конструкций зданий

Краткая характеристика цеха

9.4. Отопление, водопровод, канализация

10. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

10.1. Технико-экономический расчет

Определение производственной мощности цеха

Определение стоимости строительства зданий

10.1.3. Определение стоимости оборудования

10.2. Вопросы труда и заработной платы

10.2.1. Расчет численности рабочих

10.3. Расчёт фонда оплаты труда рабочих

10.4. Штаты и фонда оплаты труда цехового персонала

10.5. Расчет себестоимости продукции

Определение затрат на сырье, материалы, топливо и энергию

Расчет амортизационных отчислений от стоимости основных
производственных фондов цеха

Расходы на содержание и эксплуатацию оборудования

Смета цеховых расходов

Проектная калькуляция себестоимости

10.6. Расчёт технико - экономических показателей цеха

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

Карбинол (метиловый спирт) является одним из важнейших по значению и масштабам производства органическим продуктом, выпускаемым химической промышленностью. Карбинол выпускаемый в нашей стране применяется повсеместно, расходуется не только на внутреннем рынке, но и идет на экспорт в страны ближнего и дальнего зарубежья: Китай, Тайвань, Словакию, Венгрию, Финляндию, Украину, Белоруссию, Эстонию.

Бурный рост производства карбинола обусловлен постоянно возрастающим многообразием сфер его применения. Карбинонол является сырьем для получения таких продуктов, как формальдегид (около 50% от всего выпускаемого карбинола), синтетический каучук (11%), метиламин (9%), а также диметилтерефталат, метилматакрилат, пентаэритрит, уротропин. Его используют в производстве фотопленки, аминов, поливинилхлоридных, карбамидных и ионообменных смол, красителей и полуфабрикатов, в качестве растворителей в лакокрасочной промышленности. В большом количестве карбинол потребляют для получения различных химикатов, например хлорофоса, карбофоса, хлористого и бромистого метила и различных ацеталей.

Значение карбинола как сырья для производства множества важных органических продуктов велико. Несмотря на достигнутые успехи, производство карбинола продолжает совершенствоваться. Разрабатываются более активные и селективные катализаторы, методы получения и подготовки исходного технологического газа, аппаратурное оформление процесса, более полное использование тепла, выделяющегося при синтезе. Все это и многое другое приводит к увеличению производительности карбинола в десятки, а то и согни раз. И как следствие, требуется 

1. ХАРАКТЕРИСТИКА МЕТОДОВ ПРОИЗВОДСТВА КАРБИНОЛА

Впервые карбинол был найден в древесном спирте в 1661 г., но лишь в 1834 году был выделен из продуктов сухой перегонки древесины Думасом и Пелиготом. В это же время была установлена его химическая формула.

«Лесохимический метиловый спирт» загрязнен ацетоном и другими трудноотделимыми примесями. В настоящее время этот метод получения карбинонола практически не имеет промышленного значения по причинам технического и главным образом экономического характера [1].

Другие способы получения метилового спирта могут быть различны: термическое разложение формиатов, гидрирование метилформиата, омыление метилхлорида, каталитическое неполное окисление метана, каталитическое гидрирование оксида углерода (П) и оксида углерода (IV).

В 1913 г. был разработан синтетический способ получения карбинола из оксида углерода (II) и водорода на цинк-хромовом катализаторе при давлении 25-30 МПа. Позднее, в 1923 году этот процесс был осуществлен в Германии в промышленном масштабе.

История развития отечественного промышленного синтеза карбинола началась в 1934 году выпуском 30 т/сут карбинола на двух небольших агрегатах Новомосковского химического комбината. Сырьем служил водяной пар, получаемый газификацией угля [1].

Время идет, развитие науки и техники не стоит на месте, а значит, и технология промышленного синтеза карбинола непрерывно совершенствуется.

1.1. Трехфазный синтез карбинола

В 70-х годах фирмой Chemical Systems,inc. (США) разработан процесс синтеза карбинола в трехфазной системе. Сущность процесса заключается в том, что взаимодействие оксидов углерода и водорода осуществляется в реакторе с использованием измельченного катализатора, псевдоожиженного в циркуляционном потоке жидкого инертного углеводорода, т.е. синтез проводится в системе «газ-катализатор- инертная жидкость». Жидкая фаза способствует равномерному распределению газового потока по сечению реактора, организации профиля температуры по высоте реактора, близкого к изотермическому, и эффективному использованию тепла реакции [2].

Трехфазный синтез характеризуется рядом преимуществ: простота конструкции реактора, достаточно равномерное распределение жидкости и газа по площади поперечного сечения реактора, возможность ввода и вывода из системы катализатора без ее остановки, сравнительно низкая осевая диффузия газа и эффективное использование тепла реакции с получением пара.

Разработанный процесс предназначается в основном для производства карбинола для энергетических целей с использованием синтез - газа, полученного газификацией угля [2].

1.2. Синтез карбинола непосредственным окислением природного газа

В качестве одного из новых направлений получения карбинола представляется перспективной прямая одностадийная переработка природного газа методом неполного окисления его до карбинола. Однако попытки исследователей по реализации этого синтеза сталкивались со значительными трудностями: низким выходом полезных продуктов (карбинол, формальдегид) и низкой селективностью процесса.

При окислении природного газа протекают параллельные и последовательные реакции окисления карбинола, его гомологов и промежуточных продуктов реакции с образованием спиртов, альдегидов, кетонов, кислот, эфиров и воды. Получить в этом случае карбинол как товарный продукт, отвечающий требованиям качества на карбинол- ректификат, весьма сложно.

Но полученный этим способом карбинольный продукт может быть использован как ингибитор гидратообразования при транспортировании природного газа [2].

1.3. Жидкофазное окисление попутных газов

Новым методом производства карбинола является жидкофазное окисление попутных газов (пропана и бутана), где он образуется наряду с ацетальдегидом, формальдегидом и другими кислородсодержащими соединениями. Этот метод получил широкое развитие в США.

В результате окисления сжиженных газов можно получить оксидат, представляющий сложную смесь различных кислородсодержащих продуктов. В частности, из 1 тонны сырья получается примерно 85 кг карбинола, 250 формальдегида, 110 ацетальдегида. Однако трудности в создании эффективной схемы разделения оксидата препятствует широкому распространению этого метода в нашей стране. В дальнейшем строительство установок окисления углеводородного сырья будет иметь место лишь в том случае, если затраты на выделение отдельных продуктов будут ниже, чем экономия на сырье [3].

2. ОБОСНОВАНИЕ ВЫБРАННОГО МЕТОДА ПРОИЗВОДСТВА И РАЙОНА СТРОИТЕЛЬСТВА

Данный дипломный проект основан на производстве карбинола из "синтез-газа" при температуре 260-280 °С и давление 4,5 МПа на медьсодержащем катализаторе.

Цех по производству карбинола-сырца будет построен на территории уже существующего химического предприятия в городе Щекино Тульской области.

Сырьем будет служить конвертированный газ термического окисления метана, получаемый на этом же предприятии, что снижает затраты на транспортную доставку сырья.

Аппаратурное оформление цеха достаточно просто и не требует большого числа капиталовложений. Это связано еще и с тем, что основная часть оборудования размещена на открытых участках, не требуются затраты на строительство зданий и его коммуникационного оформления. Открытая территория снижает взрывоопасность и скопление газов на территории, естественная вентиляция.

Данный проект модно считать безотходным, так как отработанный катализатор используется как сырье для производства цветных металлов, продувочные газы используются на этом же предприятии для производства аммиака, танковые газы сбрасываются на факел, жидких отходов нет.

Район строительства выбран поодаль от населенного пункта, что исключает гибель большого числа людей в случае аварийных ситуаций. По территории завода и вокруг него проложена асфальтовая дорога, связанная с важными транспортными шоссе; железнодорожные пути, идущие в разные стороны света.

Климатические условия не являются препятствием для размещения оборудования на открытых участках, так как:

--хорошо выполнена изоляция аппаратуры и трубопроводов;

--сезонный перепад температуры и осадки не влияют на технологию процесса;

--организованна централизованная система управления процессом.

Себестоимость карбинола-сырца, получаемого этим методом, гораздо ниже по сравнению с выше изложенными способами его получения.

3. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

3.1. Физико-химические основы процесса

Синтез карбинола из оксида углерода с водородом на катализатор СНМ-1 под давлением не более 5,3 МПа и температуре не более 300°С протекает по следующим реакциям [4]:

СО + 2Н₂ СН₃ОН + 90,73 кДж (3.1)

СО₂ + ЗН₂ СН₃ОН + Н₂О + 49,53 кДж (3.2)

СО₂ + Н₂ СО + Н₂О + 41,2 кДж (3.3)

Наряду с этими в реакторе синтеза карбинола протекают ряд побочных реакций, свойственных для синтеза карбинола на катализаторе [4]:

4СО + 8Н₂ С₄Н₉ОН + ЗН₂О + 568,60 кДж (3.4)

2СН₃ОН (СН₃)₂О + Н₂О - 322 кДж (3.5)

СН₃ОН + СО СН₃СООН + 123,2 кДж (3.6)

СО + Н₂О НСООН + 10,0 кДж (3.7)

СН₃ОН + NH₃ CH₃NH₂ + Н₂О + 20,8 кДж (3.8)

2СО + 2Н₂ СН₄+ СО₂ + 257 кДж (3.9)

Механизм реакции получения карбинола можно представить следующим образом:
К + СО К ::: C = О (3.10)

К ::: C = O + Н₂ К ::: CHOH (3.11)

К = С НОН + Н₂ СН₃ОН + К (3.12)

Почти все реакции экзотермические, протекают с уменьшением объема, поэтому снижение давления и температуры процесса синтеза карбинола приводят к значительному уменьшению скорости побочных реакций [4].

Катализатор СНМ-1 работает стабильно только в присутствии определенного количества оксида углерода (IV), который участвует в формировании активной поверхности катализатора.

При отсутствии оксида углерода (IV) в газе, катализатор быстро теряет свою активность, которая затем полностью не восстанавливается даже при стабилизации СО₂ в газе.

Объемное содержание оксида углерода (IV) в газе на выходе в реактор синтеза должна быть не менее 4,0% [4].

Активность катализатора СНМ-1 с течением времени снижается. Наиболее резкое снижение активности (20-30%) наблюдается в течение двух-трех недель после восстановления, что связано с формированием поверхности контакта и стабилизацией его фазового состояния.

Объемная доля инертов в циркуляционном газе после реактора в начале пробега не менее 35%, в середине пробега от 20 до 30%, а в конце пробега не менее 10-15%

Срок пробега катализатора СНМ-1 определен в один год, при средней за кампанию, производительности - 6,5т/сутки 100% карбинола с 1м³ катализатора.

При соблюдении всех правил эксплуатации (работа без перерывов с оптимальным объемным содержанием СО₂ , оптимальным соотношением Н₂/СО и др.) пробег катализатора может быть увеличен [4].

3.1.1. Требования, предъявляемые к свежему газу

Как и все медные катализаторы, катализатор СНМ-1 подвержен отравлению соединениями серы. Свежий газ, подаваемый на синтез карбинола, не должен содержать соединений серы более 0,2 мг/м³.

Отношение регулирующих компонентов в свежем газе должно быть не менее 2 [4].

3.1.2. Температура процесса

Минимальная температура, при которой с заметной скоростью начинает протекать реакция синтеза карбинола на катализаторе СНМ-1, равна 180 °С. По мере старения катализатора она повышается не более 250°С. Температура в слое катализатора не должна превышать 300°С. При перегреве катализатора более 300°С наблюдается частичная или полная потеря активности, в зависимости от длительности перегрева и области захвата. Поддержание температуры процесса в пределах от 260 до 270°С, наоборот, способствует более длительному сохранению активности катализатора. Следует также иметь в виду, что повышение температуры в зоне катализатора более 270°С способствует реакциям образования высших спиртов и парафиновых углеводородов [4].

3.2. Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

Таблица 3.1

Характеристика сырья, материалов, полупродуктов и энергоресурсов

Наименование сырья, материалов полупродуктов	Государственный или отраслевой стандарт СТП технические условия, регламент или методика на подготовку сырья	Показатели по стандарту обязательные для проверки	Рекомендуемые показатели
1	2	3	4
3.1 Конвертированный газ после МЭА очистки	Из цеха конверсии метана под Давлением	Избыточное давление Состав газа: Объемная доля компонентов	Не более 1,8МПа
			СО-25,0 ±1,0% СН4- 1,6 ± 1,0% N2 - 1,7 ± 1,0% Аг - 0,7 ± 0,2% СО2-4,3±1,3% Н2-б6,7± 1,0% О2 - отсутствует H2S- 10-15 мг/м3 (0,50 ± 0.01) кг/м3
		Плотность газа
		Соотношение компонента

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3	4
3.2 Водород или азото-водородная смесь	Регистрация в Росрегистре № АТ000416 от 30.03.95г	Давление в линии до дроссели-рующего клапана. После клапана при восстановлении цинко-медного поглотителя ГИАП-10-2	2,5±0,5МПа 1,3±0,5МПа
3.3 Катализатор СНМ -1	ТУ 113-05-5503-78	Маркировка на таре. Наличие паспорта
3.4 Катализатор алюмо-никель-молибденселикатный	ТУ 381-011-92-77	Маркировка на таре. Наличие паспорта
3.5 Азот чистый (99,98%) для отдувки СО2 в КОУ, для опрессовок и продувок от горючих блока синтеза	Регистрация в Росрегистре АТ000128от2.11.94г.	Избыточное давление	0,3 ± 0,2 МПа
3.6 Азот чистый (99.98%) для технологических операций	Регистрация в Росрегистре № АТ000128от2.11.94г.	Избыточное давление	0,3 ± 0.2 МПа
3.7 Азот чистый (99,98%) на уп-равление шаровых кранов, для опрессовок и продувок от горячих блоков агрегата	Регистрация в Росрегистре № АТ000128от2.11.94	Избыточное давление в линии: до дросселирующего клапана После клапана	18 ±2 МПа 4,8 ± 0,5 МПа

Продолжение таблицы 3.1

1	2	3	4
3.8 Воздух технологический		Избыточное давление	От 0,4 до 1,2 МПа
3.9МаслоКП-8иКП-8с	ТУ 38-101-543-78 ТУ 38-401-512-85	Наличие паспорта
3.10 Вода речная		Избыточное давление Температура Объемный расход	0,25 ± 0,05 МПа 15± 10°С 1 000 ± 200м3/ч
3.11 Конденсат очищенный		Объемный расход	4 ±2 м3/ч
3.12 Углекислый газ сжиженный технический	ГОСТ 8050-85	Маркировка по таре
3.13 Пар		Избыточное давление	0,8 ±0,2 МПа
3.14 Продувочные газы из произ-водства карбинола 1-ой оче-реди для восстановления катализатора СНМ-1		Избыточное давление	2,3 ± 0,2 МПа
3.15 Воздух КИП	ГОСТ 17433	Избыточное давление	0,45 ± 0,05 МПа

3.3. Характеристика производимой продукции

Техническое наименование продукта карбинол-сырец. Карбинол-сырец, является промежуточным продуктом, который направляется в цех ректификации для получения карбинола-ректификата.

Основной составляющей частью карбинола-сырца является метиловый спирт (карбинол) химическая формула: СН₃ОН. Кроме того, в карбиноле сырце имеются примеси - продукты побочных реакций синтеза: вода, диметиловый эфир (СН₃)₂О, высшие спирты (С₃Н₇ОН), a также другие примеси [4].

Состав карбинола-сырца Массовая доля компонентов (%)

Карбинол от 84 до 95

Диметиловый эфир от 0,2 до 0,2

Н-пропанол от 0,1 до 0,2

Изобутанол от 0,05 до 0,1

Метилформиат от 0,05 до 0,2

Амиловые спирты от 0,01 до 0,05

Ацетальдегид от 0,03 до 0,2

Метилэтилкетон от 0,006 до 0,01

Вода от 4,0 до 15,0

Углеводороды С₂ и выше от 0,04 до 0,3

Этанол от 0,01 до 0,5

Нормы показателей для карбинола - сырца приведены в табл. 3.2.

Таблица 3.2

Нормы показателей для карбинола-сырца

Наименование показателей	Норма
1. Внешний вид	Бесцветная, или слегка окрашенная жидкость без механических примесей
2. Плотность, кг/м3	818
3. Массовая доля воды %, не более	9,0
Массовая доля органической части %, не менее	91,0
5. РН (среда), не менее	7,0
6. Регистрация в Госрегистре	№ AT 000037 от 16.04.94г.

Карбинол представляет собой бесцветную, легкоподвижную, легколетучую, горючую жидкость с запахом, подобным запаху этилового спирта [5]. Физические свойства [6]:

Карбинол при нормальных условиях (0°С, 0,1013 МПа) имеет следующие характеристики:

молекулярная масса ^{………………………………................................}32,04

плотность, кг /м^{3 …}810,1

температура, °С

кипения ^..64,65

вспышки 8

затвердевание 97,7

вязкость, МПа·с ^.0,793

диэлектрическая проницаемость 37,92

удельное электрическое сопротивление, Ом^{……………..}4,5 ·10⁴

теплота сгорания, кДж/кг ^.22331

3.4. Описание технологической схемы

Для процесса синтеза карбинола необходима газовая смесь - свежий газ с определённым соотношением компонентов: водорода, окиси углерода и двуокиси углерода. Она приготавливается путём смешивания синтез - газа с двуокисью углерода и азотоводо-родной смесью.

Смесь синтез - газа из цеха конверсии метана из сепаратора С1 поступает на всас дожимающего компрессора К1. Сюда же, с целью повышения соотношения Н₂:СО и содержания СО₂ в свежем газе, подаётся азотоводородная смесь и углекислота.

Полученная смесь - свежий газ с избыточным давлением 0,68 - 0,82 МПа поступает на всас четырёхступенчатого центробежного дожимающего компрессора К1. После каждой ступени компрессора газ охлаждается оборотной водой в холодильниках Т1 - 4 до температуры не более 40⁰С, а сконденсировавшаяся при этом влага отделяется в сепараторах С2 - 4.

Сжатый в компрессоре до избыточного давления не более 4,51 МПа газ после концевого сепаратора С5 поступает в угольные адсорберы АД, которые предназначены для очистки свежего газа от N - метилпирролидона, поступающего с синтез - газом цеха ацетилена, до массовой концентрации N - метилпирролидона не более 1 мг/м³. Более высокая массовая доля N - метилпирролидона в газе, поступающем на синтез карбинола, приводит к ухудшению качества карбинола - сырца.

После угольных адсорберов АД сжатый газ поступает на всас центробежного циркуляционного компрессора К2.

Отделившаяся в сепараторах влага сбрасывается в ёмкость приблизительно один раз в два часа.

В компрессоре К2 свежий газ смешивается с циркуляционным газом, дожимается до избыточного давления не более 5,3 МПа и поступает в межтрубное пространство рекуперационного теплообменника Т5 - 6, где за счёт тепла газа, отходящего из реактора синтеза РК, нагревается до температуры Т=180 - 230^оС.

Рекуперационный теплообменник представляет собой двухэлементный горизонтальный кожухотрубный аппарат с сегментными перегородками в межтрубном пространстве. Далее газ проходит электроподогреватель ЭП и поступает в реактор синтеза карбинола РК.

Электроподогреватель представляет собой вертикальный цельносварной цилиндрический аппарат с приварными эллиптическими крышками. Внутри аппарата размещены четыре электронагревательных элемента. Электроподогреватель включается в работу при потере автотермичности процесса синтеза, а также для разогрева и восстановления катализатора в пусковой период.

Реактор синтеза представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат шахтного типа с приварными эллиптическими днищами, снабжённый люками для загрузки и выгрузки катализатора. Для равномерной подачи газа основного хода реактор снабжён распределительным устройством концевого типа. Внизу реактора, над выходным штуцером расположено эллиптическое перфорированное днище, покрытое двумя слоями мелкой проволочной сетки, на которую уложен слой фарфоровых шаров диаметром 25 мм. Сверху шаров загружается катализатор, который разграничивается с шарами двумя слоями проволочной сетки. Для защиты катализатора от разрушения потоком газа, в верхнюю часть реактора загружен слой керамических колец Рашига (50х50 мм).

Из реактора газ выходит с температурой не более 300⁰С и объёмной долей карбинола в этом газе 2,5 - 3,0%. Далее газ поступает в трубное пространство рекуперационного теплообменника Т5-6, охлаждается до температуры не более 150⁰С и поступает в холодильники - конденсаторы с воздушным охлаждением АВО. Исходя из компоновки холодильников - конденсаторов с воздушным охлаждением в блоке синтеза, температуру после первых по ходу газа холодильников рекомендуется держать не ниже 70⁰С во избежание конденсации паров карбинола и залива жидким карбинолом трубок в этих аппаратах.

Сконденсировавшийся карбинол отделяется в сепараторе С6 и поступает в сборник карбинола - сырца СБ.

Освобождённый от сконденсировавшегося карбинола - сырца циркуляционный газ поступает на всас центробежного циркуляционного компрессора К2, где смешивается со свежим газом и цикл повторяется.

Карбинол - сырец из сборника СБ поступает на базисный склад в ёмкость карбинола - сырца, оттуда направляется в отделение ректификации на переработку в карбинол - ректификат.

3.4.1. Нормы технологического режима

Таблица 3.3

Нормы технологического режима

Наименование стадии и потоков реагентов, номер позиции	Наименование технологических показателей
	Скорость подачи реагенто, м3/ч	Температура, °С	Давление, МПа	Прочие показатели
1	2	3	4	5
1. Подача свежего газа в агрегат синтеза, поз. 5			Не более 4,5
2. Получение карбинола-сырца в реакторе синтеза, поз. 1	64000		Не более 5,3	СО2=4,0%
-газ на входе в I слой катализатора		180-250
-газ на выходе из I слоя катализатора		Не более 290
-газ в слоях катализатора		Не более 300
-стенка реактора		Не более 300
3. Циркуляционный газ после рекуперационного теплообменника, поз. 2		Не более 150
4. Циркуляционный газ после холодильника-конденсатора, поз. 3		Не более 60
5. Танковые газы в сборнике карбинола, поз. 6			Не более 0,4
6. Циркуляционный газ на нагнетании центробежного циркуляционного компрессора, поз. 5			Не более 5,3
7. Уровень в сепараторе карбинола-сырца, поз. 4				10-25% шкалы
8. Уровень в сборнике карбинола-сырца, поз. 6				30-70% шкалы

3.5. Материальный баланс производства

При расчете материального баланса синтеза принимаем, что в колонне синтеза протекают реакции:

CO + 2H₂ CH₃OH (3.13)

2CO + 4H₂ (CH₃)₂O + H₂O (3.14)

CO + 3H₂ CH₄ + H₂O (3.15)

4CO + 8H₂ C₄H₉OH + 3H₂O (3.16)

CO₂ + H₂ CO + H₂O (3.17)

Примем условные обозначения:

х - расход исходного газа на 1 т карбинола-сырца, м³ ;

у - объем продувочных газов, м³;

с - объем метана, образовавшегося по реакции (3.15), м³;

g- объем оксида углерода (IV), восстановленного по реакции (3.17), м³;

i- объем инертных компонентов в цикле, об. дол. (m+n=i);

b- объем водорода в циркуляционном газе, об. дол.

Исходные данные:

-состав исходного газа, об. дол.: Н₂-67,81; СО-29,50; СО₂-1,00; СН₄- 0,54; N₂-l,15;

-состав циркуляционного газа, об. дол.: СО-11,0; СО₂-0,90; СH₄- m; N₂-n;

-состав танковых газов, м³: Н₂-18,70; СО-7,50; СО₂-5,24; СН₄- 4,30, N₂-4,80; (CH₃)₂O-2,50;

-состав карбинола-сырца:

об. дол. (СН₃)₂О-3,0; СН₃ОН-91,5; С₄Н₉ОН-1,1; Н₂О-4,4;

м³ (СН₃)₂О-14,60; СнзОН-640,30; С₄Н₉ОН-3,30; Н₂О-54,72.

В соответствии с исходными данными общий объемный расход воды, образовавшейся по реакциям (3.14), (3.15), (3.16) и (3.17), составляет 54,72 м³/т. Зная объем образовавшегося диметилового эфира и изобутилового спирта, находим количество воды, получаемой по реакциям (3.14), (3.16)

17,1+3,3-3=27,0 м³/т, где 17,1=2,50+14,60

Тогда объем воды, образовавшейся по реакциям (3.15) и (3.17) составит

54,72-27,0=27,72 м³/т.

Величина 27,72 м³/т составит так же сумму образовавшихся метана (3.15) и оксида углерода (3.17), т.е.

c+g=27,72

В соответствии со стехиометрическими коэффициентами всех реакций составим уравнения:

1.Инертные компоненты

(3.18)

где - расход инертных компонентов, поступающих с исходным газом, м³/т;

1 Вода

c+g=27,72 (3.19)

3. Оксид углерода

(3.20)

где 695,2- объемный расход оксида углерода, расходуемого по реакциям (3.13), (3.14), (3.16) и теряемое с танковыми газами, а именно:

объемный расход СО, расходуемое на образование карбинола, равно 640,3 м³/т;

объемный расход СО, расходуемое на образование диметилового эфира, равно
2-17,1=34,2 м³/т;

- объемный расход СО, расходуемое на образование изобутилового спирта, равно
4•3,3=13,2 м³/т;

- объемный расход СО, теряемое с танковыми газами, равно 7,5 м³/т.

640,3+2•17,1+4•3,3+7,5=695,2 м³/т

4. Водород

(3.21)

где 1394,1- объемный расход водорода, расходуемое по реакциям (3.13), (3.14), (3.16) теряемое с танковыми газами.

2•640,3+4•17,1+8•3,3 + 18,7= 1394,1 м³/т

5. Оксид углерода (IV)

(3.22)

6. Исходный газ

x = y+g +3•c+2103,64 (3.23)

где 2103,64- объемный расход газа, расходуемое по реакциям (3.13), (3.14), (3.16) и теряемое танковыми газами:

1394,1 +695,2+5,24 + (4,3 +4,8) =2103,64 м³/т

Из уравнения (3.19) g=27,72 -с подставим это значение g в уравнения (3.20), (3.21), (3.22)

(3.23} преобразуя их, получим следующие уравнения:

0,0169•х+с-0,01•i•у =9,1 (3.24)

0,295•х -0,11•у -2•c =667,48 (3.25)

0,6781•х-0,01•b•у-2с= 1421,82 (3.26)

0,01•х -0,009•у - с = 32,96 (3.27)

х-у-2•с=2131,36 (3.28)

Преобразуя уравнения (3.27) и (3.28)

2• (0,01•х-0,009•у с) = 2• 32,96

+

х-у-2•с = 2131,36_______

1,02•х-1,018•у=2197,28 (3.29)

Преобразуя уравнения (3.28) и (3.25)

х-у-2•с = 2131,36

-

0,295•х-0,11•у-2•с=667,48

0,705•х-0,89•у = 1463,88 (3.30)

Решим систему уравнений:

у =288,2 м³/т

Решая соответствующие уравнения, находим (об. доли):

х =2441,6 м³/т; g =16,71 м³/т; с =11,01 м³/т; I =15,0%; b =73,1% . Содержание азота в циркуляционном газе по уравнению, равно:

тогда m =i-n =15- 8,1=6,9%

m=6,9% содержание метана

Учитывая потери исходного газа (3-5%), расход его в колонне синтеза составит:

2441,6• (1,03?1,05) =2550 м³/т

Расход и состав газовой смеси в разных точках синтеза следующий:

-исходный газ 2550 м³/т;

-газ на входе в колонну (смесь исходного и циркуляционного) 24000 м³/т;

- газ перед сепаратором (до смешения исходного с циркуляционным) 24000-2550=2450 м³/т;

- продувочный газ (до отдувки паров карбинола) 288,2+9,52=297,72 м³/т;

- газ после холодильника-конденсатора 21450+297,72=21747,72 м³/т;

- жидкий карбинол 712,92-9,52=703,4 м³/т;

- танковые газы 43,04 м³/т;

- газ после колонны синтеза 21747,72+703,4+43,04=22494,16 м³/т.

Все полученные результаты сведем в таблицу 3.4.

Баланс цикла синтеза на	1 т карбинола-сырца

Таблица 3.4

Компо-ненты	Исходный газ	Газ на входе в колонну	Газ на выходе из колонны	Танковые газы
	м3	об. дол.%	кг	мас. дол %	м 3	об. дол.%	кг	мас. Дол %	м3	об. дол.%	кг	мас. дол%	м3	об. дол.%	кг	мас. дол
СО2	25,5	1,00	50,6	4,19	218,5	0,91	428,8	4,49	200,8	0,89	393,6	4,14	5,24	12,13	10,3	28,85
СО	752,3	29,5	952,3	78,83	3111,8	12,96	3889,7	40,73	2398,7	10,66	2986,1	31,56	7,50	17,40	9,4	26,34
Н2	1729,1	67,81	157,9	13,07	17409,1	72,54	1571,0	16,45	15909,9	70,72	1433,9	15,10	18,70	43,46	1,7	4,75
СН4	13,8	0,54	10,0	0,83	786,0	3,28	563,5	5,9	786,4	3,51	563,7	5,96	4,30	10,00	3,1	8,68
N2	29,3	1,15	37,2	3,08	2474,6	10,31	3097,0	32,43	2482,9	11,03	3106,9	32,68	4,80	11,16	6,0	6,91
(СН3)2О									17,1	0,07	35,1	0,34	2,50	5,81	5,1	14,47
СнзОН									640,3	2,85	915	9,65
С4Н9ОН									3,3	0,01 ~1	11,0	0,08
Н2О									54,7	43,98	44,0	0,49
Всего	2550	100	1208	100	24000	100	9550	100	22494,1	100	9489,3	100	43,04	100	35,6	100
Компо-ненты	Газ перед сепаратором	Продувочные газы	Карбинол-сырец
	м 3	об. дол.%	кг	мас. дол%	м 3	об. дол.%	кг	мас. дол%	м 3	об. дол.%	кг	масс. дол
СО2	193,0	0,9	378,2	4,54	2,59	0,9	5,09	4,54
СО	2359,5	11,0	2937,1	35,3	31,70	11,0	39,63	35,3
Н2	25680	73,1	1413,1	16,92	211,17	73,1	19,04	16,92
СН4	172,2	3,6	553,5	6,62	9,88	3,6	7,08	6,62
N2	2445,3	11,4	3059,8	36,62	32,86	11,4	41,10	36,62
(СН3)2О									14,60	2,05	30	3,0
СН3ОН									640,30	89,92	915	91,5
С4Н9ОН									3,30	0,46	11	1,1
Н2О									54,72	7,67	44	4,4
Всего	21450	100	8342	100	288,2	100	111,8	100	712,92	100	1000	100

Приход состоит из суммирования статей “исходный газ”, “газ перед сепаратором”.

Расход состоит из суммирования статей "танковые газы", "продувочные газы", "газ перед сепаратором", "карбинол-сырец".

Определим эффективный фонд рабочего времени

Z=(365-II-B-P)•24,ч (3.31)

Z=365•24-160=8600 ч

Часовая производительность цеха:

Находим массовые и мольные расходы всех компонентов реакционной массы по всем статьям:

(3.32)

(3.33)

Пример расчета статьи "карбинол-сырец":

;

(3.34)

Весь остальной расчет выполняется аналогично.

Результаты расчетов сведем в таблицу 3.5.

Таблица 3.5

Материальный баланс синтеза карбинола-сырца

Приход	Расход
Статья	кг/ч, 10-3	кмоль/ч, 10-3	Статья	кг/ч, 10-3	кмоль/ч, 10-3
Исходный газ	29390,0	2804,57	Танковые газы	622,9	33,69
Газ перед сепаратором	123146,0	14111.97	Газ перед сепаратором	123146,0	14111.97
			Продувочные газы	1957,7	224,32
			Карбинол-сырец	17441,9	818,11
Всего	152536,0	16480,59	Всего	143168,5	15188,09

Расхождение составляет 0,06%, что допустимо.

Найдем степени конверсии исходных веществ:

(3,35)

Находим селективности реакций по целевому и побочному продукту:

(3.36)

4. ТЕХНИКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РАСЧЕТЫ

4.1. Тепловой расчет

Рис. 4.1 Схема тепловых потоков

Q₁-теплота, поступающая с исходной реакционной смесью;

Q₂- теплота, поступающая с электрообогревом,

Q₂-теплота, уносимая с продуктами реакций;

Q₄- потери тепла в окружающую среду;

Q₅-теплота химического превращения.

Q₅+ Q₂+ Q₅= Q₃-Q₄ (4.1)

4.1.1. Теплота, поступающая с исходной реакционной смесью и теплота, уносимая продуктами реакций

Тепловые потоки поступающего сырья и продуктов реакций определяют по формулам:
Q_i=G_i•C_i•T (4.2)

Qi=Fj•C° _p,i•T (4.3)

где, Q-тепловой поток, Вт

G-массовый расход, кг/с

Cj-удельная теплоемкость, Дж/кг-К

С°_р,i-молярная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/моль-К Т-температура, К

Примем температуру парогазовой смеси на входе в реактор180 °С (453 К), температура на выходе 300 °С (573 К). Найдем теплоемкости веществ, входящих и выходящих из реактора при указанных температурах по справочнику [7, с. 73-75]. Полученные данные сведем в таблицу 4.1.

Таблица 4.1

Теплоемкость компонентов реакционной смеси

В-ва Пар-мы	СО2	СО	Н2	СН4	N2	(СНз)2О	СНзОН	С4Н9ОН	Н2О
Т=453К С, Дж/моль•K *К	44,074	30,043	29,00	44,564	29,814
Т=573К С, Дж/моль•K *К	46,719	30,619	29,30	51,377	30,327	102,28	75,231	190,64	36,237

По формуле (4.3) найдем теплоту, поступающую с исходной реакционной cмесью:

Qi=453 * (170,02•10³ •44,074 + 2099,35•10³•30,043 + 11752,82•10³•29,00 + +530,52•10³•44,564 +1927,88•10³•29,814) /3600=61974,92•10³ кВт

По формуле (4.3) найдем теплоту, уносимую с продуктами реакций:

Q₃=573• (133,2•10³•46,719 + 1583,06•10³•30,619 + 10493,61•10³•29,30 + 519,37•10³•51,377 + 1638,78•10³•30,327 + 13,32•10³•102,28 + 498,11•10³•75,231 + +266,03•10³•190,64+42,61•10³•36,237) /3600 =84305,89•10³ кВт

4.1.2. Теплота химического превращения

Теплота химического превращения состоит из теплоты основных и побочных химических реакций. Теплота химической реакции рассчитывается по закону Гесса:

(4.4)

CO + 2H₂ ^> CH₃OH + 90,73 кДж/моль

2СО + 4H₂ ^> (CH₃)₂O +H₂O - 322,0 кДж/моль

CO + 3H₂ ^> CH4 + H₂O + 257,0 кДж/моль

4СО + 8H₂ ^> C₄H₉OH + 3H₂O + 568,60 кДж/моль

CO₂ + H₂ ^> CO + H₂O + 41,2 кДж/моль

Q₅=(-12553,76+1191,4 - 795,99 - 42017,96 - 487,64)•10³=-54663,95•10³ кВт

4.1.3. Потери тепла в окружающую среду

По таблице 2.4. [8, с.28] выбираем в качестве теплоизоляции маты минераловатные марки 75. Коэффициент теплопередачи для этой изоляции:

?_из=0,043+0,00022·t_ср, Вт/м•град (4.5)

?_из=12,6 Вт/м²•град [8, c.54]

Температура изолируемой стенки 200 °С.

?_из=0,045+0,0002·130=0,071 Вт/м·град

Толщину изоляции определяем по следующей формуле:

(4.6)

где t_ст- температура стенки, °С;

t_n = 40-45 °С - температура на поверхности изоляции;

t₀= (-10,8 + 16,6)/2 =13,7 °С- среднегодовая температура окружающего воздуха для г.Щекино Тульской области.

Теплопотери через изоляцию составят:

(4.7)

где d_из - диаметр (наружный) с изоляцией для реактора без рубашки, м;

d_н - наружный диаметр без изоляции, м.

Q₄=q_из•F, (4.8)

где F=0,9 •? •D •Н=0,9 •3,14 •3,8 •16,345 =175,6 м². Q₄ =13991,72 •175,6 =2,46•10³ кВт

4.1.4. Тепло, поступающее в реактор с электрообогревом

Q₂=Q₃+Q₄-Q₁-Q₅ (4.9)

Q₂= (84305,89 +2,46 - 61974,92 +54663,95) •10³ =76997,34•10³ кВт

Таблица 4.2

Тепловой баланс

Приход	Расход
Статья	Количество теплоты, кВт 10-3	Статья	Количество теплоты, кВт 10 -3
Q1	61974,92	Q3	84305,89
Q2	76997,34	Q4	2,46
Q5	- 54663,95
Всего	84308,35	Всего	84308,35

4.2. Механический расчет реактора

Реактор представляет собой вертикальный цилиндрический аппарат с эллиптическими днищами.

4.2.1. Расчет обечайки

Определим толщину стенки сварной цилиндрической обечайки. Материал обечайки сталь 12 НХ.

?_В= 450•10⁶Н/м², ?_Т = 240•10^бH/м² [9, табл. 2.5]

Проницаемость материала обечайки в среде меньше 0,1мм/год (с₁=1•10 ^-3 м,с₂=0). Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определим по формуле:

(4.10)

n_В= 2,6 [9, табл. 14.4]

? = 1,0 [9, табл. 14.2]

(4.11)

n_Т= 1,5 [9, табл. 14.4]

Расчётная величина цилиндрической стенки:

(4.12)

так как то величиной p в знаменателе формулы (4.12) пренебрегаем, тогда

(4.13)

с=с₁+с₂+с₃ (4.14)

где с₃=0,8 [9, табл. 2.15]

с=(1 +0 + 0,8) ·10^-3=1,8·10^-3м

примем S=100мм

Проверим напряжение в стенке обечайки.

Должно выполняться условие [10, с. 393]:

Условие выполнено.

4.2.2. Расчет днища реактора

Одной из рациональных форм крышки для цилиндрических аппаратов является (с точки зрения восприятия давления) эллиптическая форма.

Расчетная толщина днища S, подверженного внутреннему давлению р, определяется по формуле [6, с. 211]:

(4.15)

где h_B - высота выпуклой части днища; h_B=0,25•3,6=0,9м

К - безразмерный коэффициент, для днищ без отверстий или при полностью укрепленных отверстиях; К =1,0;

µ_м - коэффициент прочности радиального сварного шва [9, табл. 15.3]

µ_м=0,95;

с - прибавка на коррозию, эрозию, минусовый допуск по толщине листа, м (прибавка увеличивается на 1мм при 20mm>S и с>10мм).

Сталь эллиптического днища для обечайки выбираем 12 НХ ГОСТ 5759-57 [9, табл. 2.1]. Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определяем по формуле (4.10).

?_в=450•10⁶ н/м² , ?_т=240•10⁶ н/м² [9, табл.2.5]

?=1,0 [9, табл.14.2]

n_в=2,6 [9, табл.14.4]

Допускаемое напряжение для стали 12 НХ по пределу прочности определяем по формуле (4.11).

n_т=1,5 [9, табл.14.4]

Допускаемое напряжение по пределу текучести ?_д = 160 * 10⁶ Па является расчетным, как наименьшее:

с =(1,8 + 1)·10^-3 =2,8)·10^-3 м

S=0,069 м

принимаем ближайший размер S=100mm [9, табл. 16.2].

Проверим напряжение в стенке днища. Должно выполняться условие [10, с 393]:

Условие выполнено.

4.2.3. Расчет опорной конструкции

Для аппарата установленного вне помещения на фундаменте выбираем юбочную цилиндрическую опору.

Принимаем толщину стенки опоры S=16mm. Ветровой опрокидывающий момент для аппаратов высотой Н ? 20м определится по формуле [9, с. 330]:

M_B=0,5•K₁•K₂•q_в•H²•Д_н (4.16)

где K₁- аэродинамический коэффициент обтекания для цилиндрических аппаратов K₁=0,7;

К₂ - динамический коэффициент К₂=1;

q_в - удельная ветровая нагрузка q_в= 10³Па;

Дн - наружный диаметр Д_н=3,8м;

Н - высота аппарата Н=10,6м.

Мв=0,5•0,7•1•10³•10,6²•3,8=0,145•10⁵Н•м

Изгибающее напряжение в стенке опоры определим по формуле [9, с. 330]:

(4.17)

G - максимальная возможная нагрузка на опору от силы тяжести в условиях эксплуатации и гидравлических испытаний, Н;

Д - внутренний диаметр аппарата Д=3,6м;

Мв - ветровой опрокидывающий момент.

G = m•q (4.18)

m_an= m_о6+ m_kp+ m_дн=71100 + 13000 + 12800 =96900 кг

m_сat= 104000кг

m = 96900 + 104000 = 200900 кг

G = 9,8•1200900 =1970829 Н

что меньше

?_и = 450 * 10⁶ Па - для стали 12 НХ табл. 2.5 [9, с. 25]

Формула [9, с. 333], для проверки толщины стенки на устойчивость:

(4.19)

при

по графику [9, с. 185] К₁=1,8; К₂=6,7

(4.20)

Расчет фундаментных болтов опоры следует производить для пустого аппарата, т.е. наиболее не благоприятный случай для опрокидывания аппарата. Минимальное напряжение смятия фундамента под опорной поверхностью ?_min определяется по

формуле [9, с. 332]:

(4.21)

G - сила тяжести пустого аппарата, Н;

Д₁ - наружный диаметр аппарата, м;

Д₂ - внутренний диаметр аппарата, м;

М_В - ветровой опрокидывающий момент, Н·м.

0,71•10⁵ Па < 0

Аппарат неустойчив требуется установка фундаментальных болтов.

Общая условная формула расчёта нагрузки на болты Р_? [9, c.332]:

(4.22)

Болты изготавливаются из стали Ст.3 диаметром М48.

Для болтов М48 F_? = 1355 •10^-6 м³ табл. 20.7. [9, с.262]

Число болтов z, рассчитываем по формуле [9, с. 332]:

(4.23)

?=1, K=1 табл.20.8 [9, c. 264]

принимаем z= 8 шт.

4.2.4. Расчет штуцеров реактора и подбор фланцев к ним

Необходимо рассчитать штуцера и подобрать фланцы к ним для исходной смеси, для продуктов реакции, для холодного байпаса, для выгрузки катализатора.

Приведем пример расчета штуцера для подачи исходной смеси. Диаметр штуцера находим из уравнения расхода по формуле [11, с. 16]:

(4.24)

где V - объемный расход, м³/с;

w - скорость давления среды, м/с.

Принимаем скорость движения парогазовой смеси w=5m/c. Массовые расходы переведем в объемные по формуле:

(4.25)

G - массовый расход;

р - плотность смеси (находим по уравнению Менделеева - Клайперона) [11, с. 13]:

(4.26)

где М - мольная доля газа, кг/моль;

Т -температура газовой среды (250⁰C);

р - давление в аппарате 5,3 МПа.

(4.27)

где М; - мольная доля i-ro компонента.

Таблица 4 .3

Мольные доли веществ

Наименование	Приход	Расход
	кмоль/ч, 103	%	кмоль/ч, 103	%
Оксид углерода (IV)	170,02	4,49	133,20	4,14
Оксид углерода	2099,35	40,73	1583,06	31,56
Водород	11752,82	16,45	10493,61	15,10
Метан	530,52	5,9	519,38	5,96
Азот	1927,88	32,43	1638,77	32,68
Диметиловый эфир			13,31	0,34
Карбинол			498,11	9,65
Изобутиловый спирт			2,59	0,08
Вода			42,61	0,49
Итого	16480,59	100	14924,64	100

М=43,99·0,0449+28,0·0,4073+2,02·0,1645+16,05·0,059+28,02·0,3243=25,598 кг/кмоль

примем d=700 мм

Остальные штуцера рассчитываются аналогично. Результат расчета сведем в таблицу 4.4.

Таблица 4.4

Таблица штуцеров

Название штуцера	Dy, мм	Ру, МПа	Количество
Вход продукта	700	-	1
Выход продукта	500	-	1
Холодный байпас	200	10	3
Выгрузка катализатора	300	10	3
Для термопары	40	1,6	4
Продувка	-	10	3
Для загрузки катализатора	500	-	2
Для осмотра	500	-	2

4.3. Технологические и конструктивно - механические расчёты вспомогательного оборудования

4.3.1. Расчёт теплообменника

В качестве вспомогательного оборудования выбираем кожухотрубный теплообменник, предназначенный для подогрева исходной смеси с 180°С до 250°С. В качестве теплоносителя используются продукты реакции выходящие из реактора с температурой 300°С.

Найдем тепло необходимое для подогрева исходной смеси с 180°С до 250°С. Разность температур:

(4.28)

где F - мольный поток вещества, берем из материального баланса;

с - теплоемкость веществ при средней температуре смеси

с_{оксида углерода} = 30,22 Дж/моль•К [7, с. 75]

с_метан - 46,60 Дж/моль•К [7, с. 83] с_азот=29,96 Дж/моль•К [7, с. 72]

с_{оксида углерода (IV)}= 44,97Дж/моль•К [7, с. 75]

с_{водорода}=29,08 Дж/моль•К [7, с. 72]

с_{карбинола}=74,01 Дж/моль•К [7, с. 85]

с_воды=35,37 Дж/моль•К [1, с. 78]

Q= ( 2,198•30,22 + 3,008•46,80 + 1,389•29,96 + 1,078•0,935 + 1,307•44,97 + 11,632•

*29,08 + 0,124 •74,01 + 0,08•35,37) •70•10³/3600

Q= 12,81-10³Вт

[II, с. 149] (4.29)

К - коэффициент теплоотдачи

(4.30) ?₁ - коэффициент теплоотдачи нагреваемой смеси ?₁=500Вт/м²•К;

?₂ - коэффициент теплоотдачи охлаждаемой смеси ?₂=600Вт/м²•К.

Сумма технических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнения органических паров:

(4.31)

= 17,5 [10, с. 505] - коэффициент теплопроводности нержавеющей стали

= =11600 [11, с. 531]

Рис. 4.4. Схема тепловых потоков в теплообменнике

В соответствии с таблицей 2.3. [10, с. 51] поверхность, близкую к необходимой, может иметь теплообменник d_труб 25X2 с длиной труб 1,5м;

D_кожуха-159мм, поверхность теплообмена F=1,5m². Запас поверхности теплообмена для выбранного теплообменника:

4.3.2. Аппарат воздушного охлаждения

Циркуляционный газ в аппаратах воздушного охлаждения охлаждается с

температуры 120⁰С до 40⁰С, воздух нагревается с 15⁰С до 70⁰С.

120⁰С 40 ⁰С

70⁰С 15⁰С

Следовательно

Ориентировочно значение коэффициента теплопередачи К от газа к жидкости при

вынужденном движении принимаем 50 Вт / (м²·К)

Определяем ориентировочное значение площади поверхности теплообмена

[15] (5.39)

где Q - количество передаваемой теплоты, Вт;

К - коэффициент теплопередачи, Вт / (м²·К);

- средняя разность температур холодного и горячего теплоносителей, ⁰С.

Определяем расход тепла, передаваемого от циркуляционного газа к воздуху

где - массовый расход циркуляционного газа, кг/с;

- теплоёмкость циркуляционного газа, кДж/(кг·К);

- начальная и конечная температуры циркуляционного газа, ⁰С

Q= 141,730·2,416·(120-40)=27393,57 кВт

Тогда м²

Так как циркуляционный газ перед аппаратами воздушного охлаждения делится на

два потока, то поверхность теплообмена соответственно будет равна 7305 м².

По ГОСТ 14246-79 выбираем аппарат воздушного охлаждения зигзагообразного

типа с диаметром труб 25Х2 мм, длиной труб 6000 мм, числом ходов 1 и площадью

поверхности теплообмена 1875 м².

4.3.3. Расчёт и подбор ёмкостей

Расход конденсата (карбинола - сырца) после сепаратора составляет 15000 кг/с по таблице.

Требуемый объём ёмкости определяется по формуле

(5.40)

где - расход конденсата, кг/с;

- время заполнения ёмкости, ч; =0,5ч

- плотность карбинола - сырца, кг/м³

= 831 кг/м³ [20]

- коэффициент заполнения, принимаем = 0,8 в соответствии с требованиями Госгортехнадзора;

м³

По ГОСТ 9317-84 выбираем ёмкость горизонтальную цилиндрическую с двумя эллиптическими отбортированными днищами, сварную [18].

Основные размеры сборника:

- вместимость 12,5 м³;

- внутренний диаметр 2000 мм;

- длина цилиндрической части 3200 мм;

- общая длина аппарата 4280 мм.

4.3.4. Подбор насосно - компрессорного оборудования

Для компримирования свежего синтез - газа выбираем центробежный, четырёхступенчатый компрессор марки К-160-131-1 с приводом от электродвигателя типа СТДП-6300-2УХЛ4:

- объёмная подача 70812 м³/ч;

- избыточное давление всаса 0,69 МПа;

- избыточное давление нагнетания 4,41 МПа;

- масса 72 т.

Для циркуляции газа выбираем центробежный одноступенчатый компрессор марки К-270-14-7 с приводом от электродвигателя типа СТМН-400-В:

- объёмная подача 600000 м³/ч;

- избыточное давление всаса 4,8 МПа;

- избыточное давление нагнетания 5,3 МПа;

- масса 46,2 т.

5. ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

5.1. Основные исходные данные

Производство карбинола является производством с непрерывным технологическим процессом при трехсменном режиме работы. Нагрузка по сменам равномерная.