Розрахунок підконтактного холодильника

Контактний апарат являє собою вертикальний циліндричний апарат, у нижній частині якого розташований кожухотрубний теплообмінник, у між трубний простір якого подається водяний конденсат, а по трубному просторі проходять реакційні гази. Каталізатор укладається на 2 шари нержавіючої сітки, (10х10) мм і (1х1) мм, висотою (120-150) мм, а зверху міститься електрозапальника.

Розігрів контактної маси, при пуску, до температури (300 - 350)°С, при якій починається реакція перетворення метанолу у формальдегід, здійснюється включенням електрозапальника, а подальший підйом температури відбувається за рахунок тепла реакцій.

Температура в шарі каталізатора підтримується автоматично, подачею пари в камеру, що гріє, спиртовипаровувача, і супроводжується світловою й звуковою сигналізацією при температурі в шарі каталізатора 620°С – в "м'якому режимі" і 720°С – в "жорсткому режимі". При досягненні температури в шарі каталізатора в "м'якому режимі" – 650°С, а в "жорсткому режимі" – 750°С відбувається автоматичне відключення повітродувки поз.М1/1-3.

У результаті реакцій, що протікають у шарі каталізатора, з метаноло -повітряної суміші утворяться контактні гази, до складу яких входять: формальдегід, водень, вуглекислий газ, окис вуглецю, азот, пари води, непрореагований метанол.

Для запобігання термічного розкладання формальдегіду, що утворився, і припинення побічних реакцій, контактні гази, що виходять із зони контактування, різко прохолоджуються в під контактному холодильнику до температури не більше°200 С за рахунок випару водного конденсату, що надходить із парозбірника у міжтрубний простір підконтактного теплообмінника. Паро-водяна суміш, що утворилася в під контактному холодильнику, за рахунок природної циркуляції надходить у парозбірник, де відділяється пара від конденсату. Тиск пари в парозбірнику (1,8-2)кгс/см2, підтримується порою що подається у парозбірник із частотовимірювального від колектора.

Конденсат з теплообмінника спиртовипаровувача збирається в конденсатозбірник, звідки насосами через зворотний клапан подається в парозбірник.

 

  3.1. Опис обраної технологічної схеми процесу

Технологічна схема виробництва формальдегіду окислювальним дегідруванням метанолу зображена на рис. 1. Метанол, який містить 10– 20% води, з напірного бака 1 безперервно поступає у випарник 2. Туди ж через розподільний пристрій подають повітря, очищене від пилу і інших забруднень. Повітря борбатує через шар водного метанолу в нижній частині випарника і насичується його парами. У 1 л пароповітряної суміші, що утворюється, повинно міститися 0,5 г метанолу. Постійність такого складу суміші дуже важлива для забезпечення вибухобезпечності і нормального протікання процесу. Тому робота випарної системи повністю автоматизована: підтримують однаковий рівень рідини у випарнику, її температуру і швидкість подачі повітря, завдяки чому забезпечуються необхідні температурний режим і міра конверсії в адіабатичному реакторі.

Рис. 1. Технологічна схема виробництва формаліну:

1– напірний бак; 2 – випарник; 3 – перегрівач; 4 – реактор;

5,8 – холодильники; 6 – абсорбер; 7 – скрубер; 9 – збірник; 10–насос.

Пароповітряна суміш проходить бризгоуловлювач, що знаходиться у верхній частині випарника, потім перегрівач 3 і через насос 10 поступає в реактор 4, в середній частині якого знаходиться каталізатор. Реакційні гази відразу ж потрапляють в підконтактний холодильник 5 (змонтований разом з реактором), де відбувається швидке охолоджування суміші і запобігається розпад формальдегіду. У різних схемах охолодження здійснюють проточною водою або паровим конденсатором, коли холодильник відіграє роль генератора пари низького, середнього або навіть високого тиску. Отримана пара (або гаряча вода) служить для перегріву суміші, що поступає, в перегрівачі 3 і для обігріву випарника 2. Охолоджені реакційні гази поступають в абсорбер 6, виконаний у вигляді тарілчастої колони; рідину на тарілках охолоджують внутрішніми або виносними холодильниками (на схемі не зображені). Абсорбер зрошують такою кількістю води, щоб в кубі вийшов 36 – 37%-й формалін. Стадії абсорбції і розділення продуктів оформляють двома різними способами.

При одному з цих способів в абсорбері поглинають як формальдегід, так і неперетворений метанол, який міститься в продуктах реакції в кількості, якраз достатній для стабілізації формальдегіду. У цьому випадку верхню тарілку абсорбера охолоджують розсолом, а колона 7 служить лише для санітарного очищення газу, тоді як для здобуття безметанольного формаліну (потрібного інколи в різних цілях) необхідна установка для відгону метанолу.

При другому способі в абсорбері поглинають переважно формальдегід; тоді скрубер 7 служить для абсорбції метанолу, який відганяють від води і повертають на реакцію. У обох випадках формалін з куба абсорбера 6 охолоджують в холодильнику 8 і збирають в збірнику 9.

 

 

4. РОЗРАХУНОК НАСАДКОВОГО СКРУБЕРА

 

4.1. Технологічний розрахунок

Поверхня масопередачі може бути знайдена з основного рівняння масопередачі:

,    (1)

де Кх і Ку – коефіцієнти масопередачі відповідно по рідкій і газовій фазам, кг/(м2٠с);

- середні рушійні сили по  фазах, кг/кг; М – кількість метанолу, що поглинається водою за одиницю часу, кг/с.

Маса метанолу, яка поглинається за одиницю часу, і витрата води на абсорбцію

Ці величини знайдемо з рівняння матеріального балансу:

= Lmin( ) (2)

де  L, G – витрати відповідно чистого поглинача та інертної частини газу, кг/с;

- початкова і кінцева концентрації  метанолу у воді, кг /кг H2O; , - початкова і кінцева концентрації метанолу в газі, кг /кг повітря; Lmin – мінімальні витрати абсорбента за умови рівноважної кінцевої концентрації метанолу у воді .

Перерахуємо склад фаз, навантаження по газу і рідині у обраній для розрахунку розмірності:

   (3)

(4)

За умови = 0.

Для визначення витрати інертної частини газу G (повітря) проведемо деякі проміжні розрахунки.

Густина метанолу за робочих умов:

= 6,38 кг/м3.      (5)

Густина повітря за робочих умов:

= 7,116 кг/м3,      (6)

де = 32 кг/кмоль – молекулярна маса метанолу; Мпов = 29 кг/кмоль – молекулярна маса повітря.

Початкова масова доля метанолу в газовій суміші:

0,048     (7)

0,000956

Густина газової суміші на вході в абсорбер:

ρсум =упоч٠ + (1 – уп) ρпов=0,053٠6,38 + (1 –0,053)٠7,116=7,08 кг/м3.   (8)

Масова витрата газової суміші на вході в абсорбер:

Gсум = V٠ρсум = 80٠7,08/3600 = 0,1573 кг/с.             (9)

Витрата повітря G:

G = Gсум(1 - ) = 0,1573(1 – 0,048) = 0,1498 кг/с.

Маса метанолу, що поглинається водою за одиницю часу:

М = G = 0,1498(0,05 – 0,00095) = 0,00734 кг/с         (10)

Для визначення кінцевої рівноважної концентрації метанолу у воді спочатку знайдемо кінцеву рівноважну концентрацію метанолу у воді в мольних частках:

= 239,29 , (11)

де П – тиск в абсорбері, мм. рт. ст.; Е = мм рт. ст. -  константа Генрі для системи метанол – вода

Відносна масова концентрація:

= = 423,76 ,    (12)

де Мв = 18 кг/кмоль – молекулярна маса води.

З рівняння (2) мінімальна витрата абсорбента:

Lmіn = М/ = 0,00734 / 423,76 = 17,3 кг/с.

Робоча витрата абсорбента [2]:

L = 1,3 Lmіn = 1,3٠17,3 = 22,517 кг/с.

Кінцева концентрація метанолу у воді на виході з абсорбера:

0,00734/ 22,517=3,25 .     (13)

Питома витрата поглинача:

ℓ = L/G = 22,517/0,1497 = 150,4  кг/кг.        (14)

Перевіримо отримані результати за рівнянням матеріального балансу:

М = G( п - к) = L( -  ).                                  (15)

Баланс дотримується.

Рушійна сила масопередачі

Визначимо рушійну силу в одиницях концентрацій газової фази:

,                                (16)

де ;   ; - концентрація метанолу на вході газу в абсорбер, рівноважна з концентрацією метанолу у воді на виході рідини з абсорбера; - концентрація метанолу на виході газу з абсорбера, рівноважна з концентрацією метанолу у воді на вході рідини в абсорбер.

Враховуючи, що за умови = 0, також дорівнює нулю.

Рівняння рівноваги між фазами при концентраціях у відносних масових одиницях має вигляд:

= m                                                                   (17)

Знайдемо коефіцієнт розподілу m і :

m = = 0,05/423,76 = 117,99;                   (18)

= 117,99· = 117,99٠3,25 = 0,0383.

Тоді

0,05 – 0,03845 = 0,01165;

 0,00095 – 0 = 0,00095;

= (0,01165 – 0,00095)/ℓn(0,01165/0,00095) = 0,00427

Швидкість газу і  діаметр абсорбера

Діаметр абсорбера розрахуємо з рівняння витрат:

d = ,               (19)

де        V – об’ємні витрати газу за робочої температури t в абсорбері, м3 / с;

V0 – об’ємні витрати газу за нормальної температури t0;

w – швидкість газу, віднесена  до повного поперечного перерізу абсорбера (робоча швидкість), м/с.

Для насадкових колон швидкість газу приймають на 15 – 30 % менше швидкості захлинання wз, яку  визначають із залежності [1]:

Rег = 0,045 Аr0,57 (G/L)0,43,         (20)

де Аr = - критерій Архімеда; wз = Rег٠а٠µг/4ρг;  а - питома поверхня насадки, м2 / м3; μг – в’язкість газа  при температурі в абсорбері, Па٠с; L, G – витрати фаз, кг / с; dе – еквівалентний діаметр насадки,м; ρг і ρр – густина газу і рідини відповідно, кг/м3. L, G – витрати фаз, кг / с.

Характеристики неупорядкованої керамічної насадки з кілець Рашига (додаток 5.2).

а = 80 м2/м3; dе = 0,036 м;.

Густина ρг = 7,08 кг/м3 (попередні розрахунки); ρр = 999 кг/м3.

Витрати фаз: L = 22,517 кг/с; G = Gсум = 0,1497 кг/с.

Знайдемо в’язкість повітря і аміаку при робочій температурі (250С) за залежністю [3]:

,                                       (21)

де µ0 – в’язкість за нормальних умов, Па٠с; Т – абсолютна температура, 0С; С – постійна.

Для повітря µ0 = 17,3٠10-6 Па٠с; С = 124.

Після розрахунків по наведеному рівнянню отримаємо: в’язкість повітря

µп = 18,57٠10-6 Па٠с; в’язкість метанолу µА = 10,2٠10-6 Па٠с.

Розрахуємо в’язкість газової суміші µг із залежності [3]:

,                                  (22)

де Мс - молекулярна маса суміші, кг/кмоль.     (23)

Мс = 32٠0,053 + 29(1 – 0,053) = 28,841 кг/кмоль.

Мс/µг = 135098 + 1478891 = 1613989,

звідки    µг = 17,87٠10-6 Па٠с.

Число Архімеда

Аr = = 2,793٠1011.

Число Рейнольдса

.

Фіктивна швидкість захлинання:

wз = = 0,896 м/с.

Робоча швидкість:

w = 0,8٠0,896 = 0,717 м/с.

Об’ємні витрати газу за робочих умов:

V = Gсум/ρсум = 0,1573/7,08 = 0,0222 м3/с.              (24)

Діаметр абсорбера:

d =((4٠0,0222/(3,14٠0,717))0,5 = 0,198 м.

Приймемо діаметр абсорбера (з ряду стандартизованих діаметрів) d = 0,4 м.

Тоді дійсна швидкість газу в абсорбері:

 

w = 4V/(πd2) = 4٠0,0222/(3,14٠0,42) = 0,176 м/с.

Розрахунок густини зрошування і коефіцієнта змочуваності насадки

   Густину зрошування (швидкість рідини) розрахуємо за формулою:

U = L/(ρр٠S),     (25)   де  S – площа поперечного перерізу абсорбера, м2; L – витрати абсорбенту, кг/с; ρр - густина рідини, кг/м3.

U = 22,517/(999٠0,785٠0,42) = 0,179 м/с,

Визначимо мінімальну ефективну густину зрошування Umin по залежності:

Umіn = аqеф,    (26)   

де  qеф – ефективна лінійна густина зрошування;

а – питома поверхні насадки, м2/м3; для кілець Рашига а = 80 м2/м3;  qеф = 0,022٠10-3 м2/с.

Umіn = 80٠0,022٠10-3 = 1,76٠10-3 м/с.

Таким чином U > Umіn, тобто коефіцієнт змочення насадки Ψ = 1.

Таким чином, можна вважати, що коефіцієнт змочуваності насадки Ψ = 1.

Розрахунок коефіцієнтів масовіддачі

а) У газовій фазі з рівняння  (насадка нерегулярна):

     Nu ,    (27)   

     де -  Nuг = ;   βг – коефіцієнт масовіддачі для газу, ;   Dг – коефіцієнт дифузії компоненту в газовій фазі, м2/с; σ = 80 -  питома поверхня насадки, м2/м3; ρг = 7,08 - густина газу, кг/м3;  µг = 17.87٠10-6 -  в’язкість газу, Па٠с; w = 0,442 -  фіктина швидкість газу, м/с; dе = 0,036 -   еквівалентний діаметр насадки, м.

Коефіцієнт дифузії метанолу у повітрі за нормальних умов D0 = 19٠10-6 м2/с.

                Визначимо коефіцієнт дифузії  при робочих умовах по залежності:

             Dг = D0 = 19٠10-6٠(760/760·6)٠(298/273)3/2 = 3,61٠10-6 м2/с.

Критеріїї Rег і Рrг:

Rег = 4٠0,176٠7,08/(80٠17,87٠10-6) = 3501,4;

Рrг = 17,87٠10-6/(7,08٠3,61٠10-6) = 0,699.

     Критерій Nuг:

   Nu = 0,407٠3501,40,655٠0,6990,33 = 75,76.

Коефіцієнт масовіддачі:

βг = 75,76٠3,61٠10-6 /0,036 = 0,00579 м/с.

    Перерахуємо βг у обраній для розрахунку розмірності:

βг = 0,061(ρг - ) = 0,061( 7,08 – 0,1699) =0,4215 кг/(м2٠с).

де = ρг٠ = 7,08٠0,024 = 0,1699 кг/м3 – об’ємна масова концентрація газу;

= ( = (0,048 + 0,000956)/2 = 0,024 кг метанолу/кг суміші.

 

б) У рідкій фазі по залежності:

Nuр = 0,0021 ,    (28)         де  - Nuр = ;  βр – коефіцієнт масовіддачі для рідини, м/с;  - приведена товщина рідкої плівки, м;  L = 2,04 -  масова витрата рідини, кг/с;