Проектирование цеха по производству стирола

 

     Количество теплоты, расходуемой на химические реакции: 

     Ф₂= [1000/(2*3600)]*(162,324*117,57-24,379*54,64+15,034*105,44-

     -14,282*127,15+14,282*131,28+31,904*206,13-45,724*41,17) =

      = 0,139*24090,448 = 3348,572 кВт 

     Ориентировочное понижение температуры во второй ступени катализа: 

       (610—548)*3348,572/3320,741 = 63 °С  

     Температура на второй ступени катализа: 

         610-63 = 547 °С 

     Для определения температуры контактного газа на выходе из реактора рассчитывают его средние энтальпии при температурах 540 и 560 °С, используя данные о составе газа (поток 7). Значение энтальпии водяного пара принято при давлении 0,35-0,8646=0,3 МПа. Так как содержание в контактном газе бензола, этилена, метана, диоксида углерода, оксида углерода, водорода и тяжелых продуктов незначительно, при расчете средней энтальпии эти компоненты не учитывают (таблица 16). 
 
 
 
 
 
 

Таблица 16

     Расчет средней энтальпии контактного газа 

 

     Принимают, что теплопотери в окружающую среду составляют 1,5% от общего прихода теплоты: 

     Ф_пот= 0,015*90194,65 = 1352,92 кВт 

     Тепловой  поток контактного  газа на выходе из реактора находят из уравнения теплового баланса: 

     Ф₃=Ф₁-Ф₂-Ф_пот= 90194,65-3348,572-1352,92 = 85493,16 кВт                 (45) 

     Энтальпия контактного газа: 

     h_г= 85493,16/30,622 = 2791,9 кДж/кг 

     Температура контактного газа: 

     833+[(2791,9-2783,19)/(2783,19-2737,63) ] (833-813)=837 К или 563 °С  

     Определяют суммарную теплоту, расходуемую на осуществление химических реакций (на обеих ступенях катализа): 

     3320,741+3348,572 = 6669,31 кВт 

     Составляют тепловой баланс реактора дегидрирования (таблица 17). 
 
 

Таблица 17

      Тепловой баланс реактора дегидрирования 

 
 

               4.3 Механические расчёты  

     4.3.1 Назначение, устройство и основные размеры. Определение числа реакторов 

     Реактор предназначен для парофазного каталитического дегидрирования этилбензола в стирол в токе водяного пара.  

     Техническая характеристика реактора:

     Диаметр реактора внутренний, мм                     6500

     Высота общая, мм                                                9140 

     Характеристика железохромкалиевого катализатора:

     Плотностьь, кг/м³

     кажущаяся р              2300    

     насыпная р_н                    1400

     Срок службы            15840 

     Производительность катализатора за   2370-2380 период пробега, кг продукта на 1 кг катализатора

     При длительности пробега 15840 ч и производительности катализатора за этот период 2370 кг/кг производительность катализатора по стиролу-ректификату за 1 ч составит: 

       2370/15840 = 0,15 ч-¹ 

     Необходимый объем катализатора для обеспечения заданной производительности 

     Vк=N (Nk*Рн) = 37500*1,0125/(0,15*1400) = 180,8 м³                           (46) 

где N - производительность реактора по стиролу-ректификату с учетом 1,25% потерь, кг/ч. 

     Количество этилбензола (углеводородной смеси) на входе в реактор составляет (см. состав потока 6): 

     m_эб = 220479-146084 = 74395 кг/ч 

     Необходимый объем катализатора для обеспечения заданной производительности: 

     Vк = m_эб /(р_эбV_об)= 74395/(867*0,5) = 171,6 м³                                           (47) 

где V_об - объемная скорость жидкого этилбензола, ч^-1 

     Число реакторов для обеспечения заданной производительности: 

     n = 271,6/100= 2,72 

     Необходимо установить три реактора, соединенные параллельно. Запас производительности по катализатору: 

     (100,0*2-171,6)*100/171,6 = 17%. 
 

       4.3.2 Расчет реактора первой ступени. 

      Принимают, что объемное отношение катализатора в первой и второй ступенях реактора равно 1,00:1,08, следовательно, объем катализатора

     в первой ступени: 100-1,00/(1,00+ 1,08) =48 м³;

     во второй ступени: 100-48=52 м³.

     4.3.3 Расчет времени пребывания смеси в зоне катализа 

     Время пребывания парогазовой смеси в зоне катализа рассчитывают по формуле 

     τ = V_τ /Vк *ε₀                                                                                                                                   (48) 

где V_τ - расход парогазовой смеси при температуре 610 °С (883 К) и давлении 0,45 МПа, м³/с;

     V_K - объем катализатора в реакторе, м³;

     ε₀ - порозность слоя катализатора.

     Расход парогазовой смеси при нормальных условиях (273 К, 101325 Па): 

     V⁰_τ = 8820,565*22,4/3600 = 54,88 м³/с  

     Расход парогазовой смеси в условиях процесса: 

     V_τ = 54,88*883*101325/(273*0,45*10⁶) = 40 м³/с 

     Порозность слоя катализатора: 

     ε₀= 1—р_н/р = 1-1400/2300 = 0,39                                                           (49)  

где р_н и р - насыпная и кажущаяся плотность катализатора, кг/м³. 

     τ = 40/(2*100*0,39) = 0,51 с, 

что соответствует оптимальному технологическому режиму. 
 

     4.3.4 Расчет на прочность корпуса 

     Определить  толщину стенки обечайки работающей под внутренним давлением вертикального  аппарата по следующим данным: 

     1) Д_в = 6,5 м;

     2) материал – Х18Н10Т;

     3) t = 610 ºС;

     4) Н=9,14 м;

     5) Р=1,2 МПа;

     6) шов сварной, двойной, автоматическая сварка;

     7) С_к= 1 мм = 0,001 м; 
 

     1) Находим по графику σ*_д = 70 Мн/м² = 70 МПа [13].

     2) Находим допускаемое напряжение  по формуле  

                      σ _д =η•σ*_д                                                                             (50) 

где η  – поправочный коэффициент, учитывающий условия аппарата.

     Величина  поправочного коэффициента (согласно колеблется в пределах 0,9-1,0) определяется при проектировании в зависимости от условий эксплуатации, опасности и вредности обрабатываемых сред.

     Значение  η рекомендуется выбрать исходя из следующих соображений:

     - для узлов и деталей аппаратов,  предназначенных для обработки  или хранения под давлением  или без него, взрыво- и пожароопасных  продуктов, а также продуктов  высокой токсичности – с обогревом  этих узлов и деталей открытым пламенем, точными газами или открытыми электронагревателями η=0,9;

     - то же, но для необогреваемых  узлов и деталей или при  обогреве, но с надежной изоляцией  их от источников нагрева, а  также для узлов и деталей  аппаратов, предназначенных для обработки или хранения под давлением или без него всех прочих продуктов с обогревом этих узлов и деталей открытым пламенем, топочными газами или открытыми электронагревателями η=0,95;

     - во всех остальных случаях  η=1,0.[6]

     Исходя  из данных η= 0,95

     Следовательно, σ_д = 0,95•70 = 66,5 МПа

     3) находим φ_ш – коэффициент прочности сварного шва.

     Исходя  из данных справочника, φ_ш = 0,95 [6]

     4) Рассчитываем отношение определяющих  величин  

     (σ_д/Р)• φ = (66,5/1,2)•0,95 = 52, 6                                                      (51)