Курсовая работа (т): Проект производства полиэфира П6-БА мощностью 1150 т/год

.8 Выбор и расчет количества основного и вспомогательного оборудования

Рассчитаем количество реакторов, необходимых для производства 1150 тонн в год полиэфира П6-БА

Реактор периодического действия, имеет объем 12,5 м3;

Коэффициент заполнения 0,8;

Плотность реакционной массы р=1115 кг/м3;

Время цикла работы реактора tц=48 часов; г.э=5664 ч;

т цикл= 12388,5 кг

Массовую долю продукта в выгружаемой из реактора массе можно найти из имеющегося материального баланса процесса (табл. 2.6).

ν=1000/1290,3=0,76; тогда выход продукта с единицы объема

ω=ν*ρр.см =0,76*1115=847,4 кг/м3,

где ρр.см -плотность реакционной смеси

Производительность реактора периодического действия вычисляем по формуле

g=V*φ*ω/tц =12,5*0,8*847,5/48=176,6

где V- объем реактора, равной 12,5 м3,  φ-коэффициент заполнения реактора, tц-время цикла работы реактора.

Далее находим число реакторов по уравнению n=Gtz/gtг.э=1150000*1.1/176*5664= 1,3 шт  где Gt- количество продукции, которое надо произвести за время t, Z- коэффициент запаса модности,  tг.э.-эффективное время работы оборудования за год.

Следовательно, выбираем 1 реактор рабочий и 1 резервный. Рассчитаем объем реактора:

Van = tu * Vo6/ φ = 48*0,2/0,8= 12 м3 

Принимаем 2 стандартных реактора объемом 12 м3.

Для исключения возможности вывода гликолей из реакционной зоны с парами реакционной воды и обеспечение молярного соотношения гликолей в реакции поликонденсации принимаем 1 колонну - конденсатор, с поверхностью теплообмена 19,45 м. Диаметр 1000 мм, высота 6050 мм. Расчетное давление в корпусе и рубашке 6 кгс/см.

Для приема готового продукта полиэфира П6-БА принимаем 1 сборник, вместимостью 32 мЗ. Максимальное заполнение 28 мЗ. Диаметр 3200 мм, высота 7030 мм.

Принимаем 1 конденсатор с поверхностью теплообмена 23 мЗ, диаметр 400 мм. Количество трубок 100 штук, трубки 25X2X3000 мм, для конденсации паров воды с незначительным количеством гликолей.

Принимаем 1 сборник для парового конденсата вместимостью 5 мЗ, диаметром 1600 мм, высотой 1800 мм.

Для подогрева теплоносителя (ПЭС-5), который идет на заполнение рубашки реактора Р1 принимаем 2 теплообменника, для подогрева воды, которая идет на заполнение рубашки колонны - конденсатора принимаем 1 теплообменник.

Для транспортировки теплоносителя принимаем 1 насос марки 2х - 4 А-1. Производительность 5,5 л/с.

.9 Механический расчет

Аппарат с мешалкой предназначен для проведения синтеза полиэфира П6-БА:

Основные размеры аппарата [5]:

Объем аппарата, Vап =10 м2

Диаметр аппарата, D=2600 мм,

Высота цилиндрической части аппарата, L=2390 мм

Рабочее давление в аппарате 0,4 МПа

Рабочее давление в рубашке 0,6 МПа

Мешалка рамная

.9.1 Расчет цилиндрической обечайки

Толщина стенки обечайки нагруженной наружным давлением:

SR= 1,1 × р ×D / (2×[σ]) + c

Где p - давление в аппарате, МПа; - диаметр аппарата, мм;

[σ] - допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и температуры);

с - прибавка на коррозию.

SR= 1,1 × 0,4 × 2600 / (2×126) + 2 = 5,92 мм.

Округляем значение в большую сторону до ближайшей стандартной толщины листа S = 6 мм [5].

Проверка [6]:

(S - с) / D ≤ 1

(6-2) / 2600 = 0,0015 - Условие выполняется.

.9.2 Расчет днища и крышки аппарата

Толщина стенки эллиптического отбортованного днища, нагруженного наружным давлением [5]:

SR= 1,1 × р ×D / (2×[σ]) + c = 3,92 мм

Где р - давление в аппарате, МПа;- диаметр аппарата, мм;

[σ] - допускаемое напряжение, МПа (зависит от марки стали и температуры);

с - прибавка на коррозию.

= Sr + с= 3,92 мм + 2 мм = 5,92 мм

Округляем значение в большую сторону до ближайшей стандартной толщины S = 6 мм [5].

Проверка [5]:c/D1

- 2/2600 = 0,0015 - Условие выполняется.

Проверка на допускаемое наружное давление [5]:

[p]=2×[σ]×(s-c)/(D+(s-c)) = 2×126×4/(2600+4)= 0,41

0,4 МПа<0,41 МПа - Условие надежной эксплуатации выполняется.

.9.3 Расчет элементов рубашки

В качестве расчетного давления принимают давление в рубашке. Для корпусов с внутренним D=2600 мм, диаметр рубашки принимают больше диаметра D на 200 мм [5].

Толщина стенки цилиндрической части рубашки [5]:

= р×D / 2×φ × [σ] - p

Где φ = 1 - коэффициент прочности сварного шва;

р - рабочее давление в рубашке.

SR= 0,6×2600 / 2×1 × 126 - 0,6 = Sr + с= 5,59 мм + 2 мм = 7,59 мм

Округляем значение в большую сторону до ближайшей стандартной толщины S = 8 мм [5].

Проверка [13]:

(S - с) / D 1

(8 мм - 2 мм) / 2600 мм = 0,0023 - Условие выполняется.

Проверка на допускаемое наружное давление [5]:

[p]= 2×φ × [σ] ×(S - с)/ (D+(s-c) = 2×126×1×6 / 2606=0,62 МПа

,6 ≤ 0,62 МПа - Условие надежной эксплуатации выполняется.

Эллиптическое днище [5]:

SR= p×D / 2×φ × [σ] - 0,5 × р = 0,6 ×2600 / 2×1×126 - 0,5 ×0,6= 5,89

S = SR +с = 5,89 + 2 = 7,89 мм

Округляем значение в большую сторону до ближайшей стандартной толщины S = 8 мм. [5].

Проверка [5]:

- c / D

мм - 2 мм / 2600 = 0,0023 - Условие выполняется.

Проверка на допускаемое наружное давление [5]:

[р] = 0,62 МПа

,62 МПа - Условие надежной эксплуатации выполняется.

.9.4 Фланцевые соединения и штуцера

Выбираем фланцы плоские приварные с гладкой уплотнительной поверхностью, так как их применяют при Р= 2,5 МПа и Т = 300 С.

Размеры фланцев выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению.

Для уплотнения во фланцах применяют прокладки различной конструкции. Прокладки из паронита выдерживают температуру до 400 С и давление до 2,5 МПа. Размеры прокладок выбирают по внутреннему диаметру аппарата и условному давлению:= 2284 мм= 2240 мм = 2 мм

Проверочный расчет болтов:

Нагрузка, действующая на фланцевое соединение от внутреннего давления.

= 0,785 × D2cn × Р

Где Dcn= 0,5 × (Dn + dn) - средний диаметр прокладки

Dcn = 0,5 × (2284 + 2240) = 2262 мм

Qd = 0,785 × 22622 × 0,4 = 1606626,216 Н

Реакция прокладки:

Rn = 2π × Dcn × bо × m × Р

Где bо - эффективная ширина прокладки

Если bn > 15 мм, то bо = 0,6, где Ьп - ширина прокладки

bn = 0,5 × (Dn - dn) = 0,5 × (2284 - 2240) = 22 мм

Значит bo = 0,6 = 2,8 мм = 2,5 для прокладок из паронита

Rn = 2 × 3,14 × 2262 × 2,8 × 20 × 0,4 = 318200,064 Н

Болтовая нагрузка при сборке. Принимают наибольшее значение из трех расчетных.

РБ1 = π × Dcn × bо × q

РБ1 = 3,14 × [σб]20 × nб × fб

РБ1 = 1,2 × QD + Rn

Где q = 20 МПа для прокладок из паронита

[σб]20 = 130 МПа-допускаемое напряжение для материала при 20б - число болтов, равное числу отверстий Z во фланце- площадь поперечного сечения болта, мм2

РБ1 = 3,14 × 2262 × 2,8 × 20 = 397750,08 Н

РБ1 = 0,4 × 130 × 72 × 452,16 = 1692887,04 Н

РБ1 = 1,2 × 1606626,216 + 318200,064 = 2246151,5232Н

Проверка прочности болтов при монтаже.

σБ1 = РБ1max / nб × fб ≤ [σб]20

σБ1 = 2246151,5232/72 × 452,16 = 102 МПа

МПа < 130 МПа - условие выполняется.

Проверка прочности болтов в период эксплуатации.

σБ2 = РБ2 / nб × fб ≤ [σб]t

Где [σб]t = 120 МПа - допускаемое напряжение для материала болта при рабочей температуре

РБ2 ≈ 1,3 × РБ1max

РБ2 = 1,3 × 2246151,5232 = 2919996,98

σБ2 = 2919996,98/72 × 452,16 = 104,2 МПа

,2 МПа < 120 МПа - условие выполняется.

.9.5 Опоры аппарата

Выбираем лапы для аппаратов.

Задаемся количеством лап z =4

Вес металла, из которого изготовлен аппарат [5]:

≈ 1,1 × F × S × ум

Где F - внутренняя поверхность корпуса, м2 - исполнительная толщина стенок, м

ум = 78,5 кН/м3 - удельный вес металла

Коэффициент 1,1 учитывает вес фланцев, штуцеров и так далее

G1 = 1,1 × 23,5 × 0,006 × 78,5 = 12,18 кН

Вес металлоконструкций, установленных на крышке аппарата

(привод и так далее) [5]:

G2 = 0,5 × G1 = 0,5 × 12,18= 6,1 кН

Вес воды, заполняющей аппарат при гидравлических испытаниях [5]:

G3 = V × у

Где V - внутренний объем аппарата, м3

у = 10 кН/м3 - удельный вес воды

G3 = 10× 10= 125 кН

Максимальная нагрузка на одну опору [5]:

Qmax = λ × (G1 + G2 + G3) / z

Где z = 4 - число опор

λ= 2 - при z = 4

Qmax = 2 × (12,18 + 6,1 + 100)/ 4 = 59,14 кН

Выбираем опоры ПО условию Qтабл ≥ Qрасч

кН ≥ 59,14 кН

.9.6 Расчет мешалки

Диаметр мешалки:

d M = D/ (1,4÷1,7)

d M = 2600мм/1,6=1625 мм

Принимаем стандартный диаметр мешалки d M= 1720 мм

Расстояние от нижней границы мешалки до границы аппарата:

h M =0,3× d M= 0,3×1720 мм= 516 мм

Для мешалок данного типа и диаметра соответствует [5]:

Частота вращения мешалки:= 50,4 об/мин=0,84 с-1

Уровень жидкости в аппарате:

Нж= (0,75÷0,8)×L=0,8×2980=2384 мм

где L - высота аппарата

Расчет мощности, требуемой на перемешивание:

м = KN × рс × n3 × dм5

Где KN - критерий мощности, определяемый из расчета критерия Рейнольдса и симплекса геометрического подобия.

рс - плотность перемешиваемой среды, кг/м3

Критерий Рейнольдса:= рс × n × dM2 / μс

= 1153,3 кг/м3 × 0,84 с1 × (1,72 м)2 / 0,04 Па × с = 71650,37

Где μ - динамический коэффициент вязкости смеси (известно из технологического регламента), Па×с

Симплекс геометрического подобия:

Гd = D / DM = 2600 мм / 1720 мм = 1,51

Учитывая значения Re и Гd с помощью графика [5] определяем критерий мощности для рамной мешалки КN = 0,3

NM = 0,3 × 1153,5 кг/м3 × (0,84 с-1)3 × (1,45 м)5 = 3675,7 Вт

Мощность, с учетом внутренних устройств (гильза термометра, устройство для замера уровня, две трубы передавливания) [5]:

= К1 × К2 × К3 × Nm= 1,1 × 1,2 × l,3 × 3675,7 Вт = 6307,5 Вт

Где К1, К2, К3 - коэффициенты, учитывающие влияние внутренних устройств.

Мощность двигателя:

дв = Кп × (NM + N1) / η = 1,25 × (3675,7 Вт + 6307,5 Вт) / 0,93 = 13,4 кВт

Где Кп - коэффициент запаса;

η - КПД привода.

Вычисляем вращающий момент Т на валу мотор-редуктора [5]:

Угловая скорость вала [5]:

W = π × n / 30 = 3,14 × 50,4 об/мин / 30 = 5,28 сек-1

Т = Р × 103 / W = 13,4 кВт × 103 / 5,28 сек-1 = 2537,9 Н × м

Наименьший диаметр вала:≥ 45,59 мм.

По рассчитанному диаметру выбираем стандартный мотор-редуктор с диаметром вала 65 мм. По диаметру вала и вращательному моменту выбираем муфту. По размерам мотор-редуктора выбираем стойку и опору [5].

Проведем расчет вала перемешивающего устройства [5]:= d = 65 мм.= d1 + (4...7) = 69 мм. Округляем до стандартного 75 мм.- диаметр вала под уплотнение в крышке подшипникого узла.= d2 + (2...4) мм = 77 мм.= 80 мм. Предназначен для посадки подшипника.= d4 + (6...8) мм = 86 мм.= 80 мм. Согласуется с диаметром отверстия в сальниковом уплотнении.= 60 мм. Диаметр вала в месте посадки мешалки.

полиэфир технологический теплообмен

2.10 Тепловой расчет

Цель теплового расчета - определение требуемой поверхности теплообмена проектируемого аппарата. Расчет поверхности теплообмена основан на совместном решении уравнений теплового баланса и теплопередачи [6].

Уравнение теплового баланса: Qnp = Qpacx - приход теплоты в аппарат должен быть равен расходу теплоты в том же аппарате.

Тепловой баланс рассчитываем по данным материального баланса, то есть на цикл работы для одного аппарата.

Исходные данные для теплового расчета:

Аппарат:

Масса аппарата - 10000 кг

Теплоемкость конструкционного материала (сталь двухслойная 16ГС+12Х18Н10Т ГОСТ 108, рубашка ВСТ 3 сп ГОСТ 380-7) - 0,503 кДж × кг /град

Температурный режим:

Тн = 20 °С - начальная температура

Тк = 205 °С - конечная температура

Загрузка сырья в один аппарат с рабочим объемом 10 м3:= 3629,42 кгБд = 2734,50 кгП6-БА = 5309,73 кготгоны = 894,93 кгпотери = 159,29 кг

Средние удельные теплоемкости сырья и готового продукта:

СAK = 1,426 кДж × кг / град

Сбд = 3,078 кДж × кг / град

Сп6-ба = 2,467 кДж × кг / град

исх + Qмеш + Qтепл + Qкат = Qпрод + Qнагрев + Qпотери

исх - тепло, вносимое потоками исходного сырья;меш - тепло, выделяющееся при перемешивании механическим устройством;тепл - тепло, вносимое теплоносителем;кат - тепло, вносимое катализатором;прод - тепло, уносимое продуктами реакции;нагрев - теплота, затраченная на нагрев реактора;потери - тепловые потери, уносимые в окружающую среду.меш и Qкат можно пренебречь, так как частота вращения мешалки и количество загружаемого катализатора небольшие.

исх = QAK + QБДпрод = QП6-БА + QП6-БА(потери) + Qотгоны

Q = m × cp × t

Где m - масса вещества, кг;- теплоемкость вещества, кДж × кг / град;- температура вещества.

QAK = 3629,42 × 1,426 × 20 = 103511,0584 кДж БД = 2734,50 ×3,078 × 20 = 168335,82 кДж П6-БА = 5309,73 × 2,467 × 205 = 2685316,30155 кДжП6-БА(потери) = 159,29 × 2,467 × 205 = 80558,52815 кДж

отгоны = (626,451 × 2262,6) + (268,479 × 649,45) = 1417408,0326 + 174363,68655 = 1591771,71915 кДж

Где 2262,6 кДж / кг × град - теплота парообразования воды;

,45 кДж / кг × град - теплота испарения отгонов.исх = QAK + QБД = 103511,0584+168335,82=271846,88 кДжпрод = QП6-БА + QП6-БА(потери) + Qотгоны = 2685316,30155 + 80558,52815 + 1591771,71915 = 4357646,54875 кДж

Теплота, затраченная на нагрев реактора:

нагрев = Ga × с × (Тк - Тн)

Где Ga - масса аппарата, кг;

с - теплоемкость конструкционного материала, кДж × кг / град;

Тк и Тн - конечная и начальная температуры аппарата.нагрев = 10000 × 0,503 × (205 - 20) = 930550,0 кДж

Тепловые потери, уносимые в окружающую среду:

потери = α × F × t

Где F - поверхность теплообмена, м2;- разность температур стенки аппарата и окружающей среды;

α = αк + αл - суммарный коэффициент массоотдачи, равный сумме коэффициента теплоотдачи конвекцией αк, Вт / м2 × К и коэффициента теплоотдачи лучеиспусканием αл, Вт / м2 × К.

αк = 1,82

αк = 10,37 Вт/м2 × К

αл = с1 × ((Тn / 100)4 - (Т0 / 100)4) / tn - t0

Где c1 = 4,2 - степень темноты поверхности аппарата [9]

αл = 4,2 × (500,55 К - 73,7 К) / 180 = 9,96 Вт / м2 × К

α = 10,37 + 9,96 = 20,33 Вт / м2 × К потери = 20,33 × 23,5 × 185 = 88384,675 кДж = 24,55 кВт

Тепло, подводимое теплоносителем:

тепл = Qпрод + Qнагрев + Qпотери - Qисх = 1210,3 + 258,49 + 24,55 - 75,51 = 1417,83 кВт

Положительный знак указывает на то, что тепло необходимо подводить с помощью теплоносителя.

Результат теплового баланса отражается в таблице 2.10

Таблица 2.10 - Тепловой баланс производства П6-БА.

Необходимая поверхность теплообмена может быть рассчитана из уравнения теплопередачи: