Расчет кожухотрубного теплообменника

 

Содержание 
 

Введение                                                                                                          4

Краткая история  производства  

1.  Технологическая   часть                                                                  

1.1. Физико-химические свойства бензола      

         и толуола                                                                                       

  1.2. Теоретические основы процесса происходящего в аппарате                                         

  1.3.  Описание технологической схемы установки                                                                          

  1.4. Устройство, принцип работы основного аппарата                                     

  1.5. Техника безопасности                                                                                    

  1.5.1. Пожаро и взрывобезопасность

  1.5.2. Пожаро – и взрывопредупреждение

  2.   Расчетная часть                                                                                               

  2.1.  Материальный баланс

  2.2.  Технологический расчет основного аппарата

  2.3.  Тепловой баланс

          Графическая часть                                                                                          

          Литература                                                                                                  
 
 
 
 
 
 

                                                             Введение 

Краткая история производства  

 Впервые  бензол описал немецкий ученый Иоганн Глаубер в 1649 году, получив вещество перегонкой каменноугольной смолы. Открыт бензол был впервые в 1825 году Майклом Фарадеем. Английский ученый заинтересовался странным явлением, происходившим со светильным газом. Газ этот получали фабричным способом: нагревали китовый и тресковый жир в железных  сосудах до красного каления, а затем для транспортировки помещали под давление 30 атм.в железные баллоны. Обнаружилось, однако, что при длительном хранении газ постепенно терял свои осветительные и тепловые свойства, а на дне баллона скапливалась жидкость, легко воспламеняющаяся. Ее то и исследовал Фарадей, а в результате выделил неизвестный углеводород, элементный состав, а так же физические и химические свойства которого попытался определить. На основании анализа он приписал ему формулу C2H, назвал двууглеродистым водородом и доложил об открытии нового  вещества Лондонскому Королевскому обществу 16 июня 1825 года.

      Некоторое время бензол не  привлекал особого внимания химиков. В 1833-35 годах немецкий химик Эйльхард Митчерлих обстоятельно исследовал это вещество, определил его формулу-C6H6 и назвал его бензином (то арабского слова,  
 
 
 
 
 
 
 

которое означает благовоние). Юстус Либих, проводивший с Митчерлихом ряд работ, предложил новое имя соединению - бензол, которое прижилось и в русской

номенклатуре. В 1835 году французский химик Огюст Лоран предложил название “бензен”, а затем “фен” (от греческого блистающий, яркий), поскольку бензол

горит ярким пламенем. Это название не привилось, однако, именно от него произошли общеизвестные термины “фенол’ и ”фенил” .                                       

Структурная формула бензола была предложена в 1865 году Августом  Кекуле. В результате синтеза бензол впервые был получен французским химиком Марселеном Бертло в 1866 году.

   Наиболее  старый метод промышленного получения бензола выделение его из предварительно охлажденных пирогазовых продуктов коксования каменных углей, абсорбцией органическими поглотителями, например маслами каменноугольного и нефтяного происхождения. Для отделения поглотителя используют перегонку с водяным паром. От примесей (например, тиофена) сырой бензол отделяют гидроочисткой. Основное количество бензола получают риформингом (470-550 °С) нефтяной фракции, выкипающей при 62-85°С; извлекают экстракцией. Бензол высокой чистоты получают экстрактивной перегонкой с ДМФА. Бензол выделяют также из жидких продуктов пиролиза нефтепродуктов, образующихся в производстве этилена и пропилена. При избытке ресурсов толуола бензол производят деалкилированием последнего, которое проводят термическим способом при 600-820°С в присутствии водорода и водяного пара или каталитически при 227-627°С в присутствии цеолитов или оксидных катализаторов. Наиболее экономически выгодно выделение бензола из продуктов  
 
 
 
 

пиролиза, но ресурсы этого источника недостаточны, поэтому бензол часто производят риформингом. Доля коксохимического бензола в общем балансе невелика.В лабораториях особо чистый бензол синтезируют декарбоксилированием бензойной кислоты.

   Основные  области применения бензола (более 80%): производство этил-бензола, кумола и циклогексана; остальное количество для получения   анилина

малеинового ангидрида, как компонент моторного  топлива для повышения октанового числа, как растворитель и экстрагент в производстве лаков, красок, ПАВ и др.

   Толуол был впервые получен и охарактеризован в 1844 году. Сен-Клер

Девилем при сухой перегонке толуанского бальзама (исп.Balsamo Tolu)- смолы дерева Myroxylon balsamum.

   Получают  толуол преимущественно из нефти при вторичной ее переработке, риформинге низкокипящих продуктов, полученных при прямой перегонке нефти или каталитическом крекинге, пиролизе газойля и рафинатов риформинга, направленном одновременно на получение непредельных и ароматических углеводородов. Очистку нефтяного толуола осуществляют методом экстракции (экстрагенты: ид - и триэтиленгликоли, К-метилгшрролидон, ДМФА) или экстрактивной ректификации.

   Каменноугольный толуол, образующийся в процессе коксования, извлекают из коксового газа в  виде компонента сырого бензола, подвергают сернокислотной очистке (для удаления непредельных и серосодержащих соединений) и выделяют ректификацией. Чистоту и качество толуола контролируют методами ГЖХ.  
 
 
 
 
 

   Значительное  количество толуола получают как  побочный продукт при синтезе стирола из бензола и этилена.

   Толуол  применяется для растворения тощих алкидов, кремнийорганической смолы, полистиролов. В качестве основной  добавки применяется в  смесевых растворителях для растворения эпоксидных, виниловых и акрилатных полимеров, хлоркаучука. Также толуол применяется в качестве сырья для органического синтеза, высокооктанового компонента моторных   топлив, растворителя.

   Основное количество толуола перерабатывают в бензол, фенол, капролактам, толуилендиизоцианаты; остальное количество используют в качестве растворителя для пластических масс, нитроцеллюлозных, алкидных лаков и эмалей, высокооктанового компонента моторных топлив, исходного вещества для получения многочисленных производных (в т.ч. галоген -, сульфо - и нитропроиз-водных). Толуол используется как сырье для получения взрывчатого вещества тринитротолуола. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

                                            1 .    Технологическая часть 

   1.1.  Физико-химические свойства бензола и толуола 

   Бензол, молекулярная масса 78,11; бесцветная жидкость с характерным запахом; температура  плавления 5,53 ⁰С, температура кипения 80,1 °С. Растворимость в воде 0,073% по массе (25 °С), воды в бензоле-0,05% (26 °С). Неограниченно растворяется в углеводородах, эфирах, хуже в метаноле, не растворим в этиленгликоле, глицерине; растворяет жиры, каучуки, гудрон, серу, фосфор, иод. Образует азеотропные смеси.

   Молекула  бензола - плоский правильный шестиугольник  с внутренними углами 120° и  расстоянием между атомами углерода 0,139 нм.

   Бензол - родоначальник углеводородов ароматического ряда. Химические свойства определяются наличием в молекуле стабильной замкнутой  системы. Он склонен к донорно-акцепторному взаимодействию с соединениями, имеющими дефицит электронов; в результате образуются малостабильные и существующие только в растворах комплексы, которые могут превращаться в более прочные комплексы.

   Бензол  сульфируется до бензолсульфокислот, алкилируется олефинами с образованием алкилбензолов. В зависимости от природы первого введенного заместителя дальнейшее электрофильное замещение направляется преимущественно в орто - и пара - положения или в мета - положение.

     
 
 
 

  Для бензола характерна устойчивость к действию высоких температур и окислителей. Лишь выше 650 °С он частично превращается в дифенил, выше 750°С разлагается на углерод и водород. Бензол не изменяется под действием Н₂СгО₄ и КМпО₄, с О₂ в присутствии катализаторов (V, Мо) при 350-450 °С образует малеиновый ангидрид. Гидрируется до циклогексаиа в присутствии различных катализаторов (например, в присутствии Ni при 120-200°С и 2,96-6,94МПа). Щелочными металлами в жидком NH₃ восстанавливается до 1,4-циклогексадиена. При фотохимическом присоединении хлора превращается в гексахлорциклогексан. При УФ - облучении способен к циклоприсоединению и изомеризации в фульвен и бензвален.

   Толуол, молекулярная масса  92,14; бесцветная жидкость с ароматическим запахом; температура плавления 94,99 ⁰С, температура кипения 110,62 °С. Смешивается со спиртами, углеводородами, хорошо растворим в большинстве органических растворителей; растворимость в воде 0,014% по массе (20 °С); растворимость воды в толуоле 0,4% (20 °С). Образует азеотропные смеси: с водой (86,5% толуола по массе, температура кипения °С), метанолом (31% олуола, 63,8 °С), уксусной кислотой (72,5% толуола, 100,6 °С) и др.

   По  химическим свойствам толуол – типичный представитель ароматических углеводородов. Легко образует комплексы с переносом заряда: с переходными металлами (Со, Мо и др.) комплексы «сэндвичевого» типа, с трикарбонилхромом - «зонтичного» типа, а также со многими органическими акцепторами электронов (тринитробензол и др.). В реакции электрофильного

замещения (нитрование, галогенирование, сульфирование и др.) вступает  легче  
 
 
 
 
 

бензола. При окислении по метильной группе в зависимости от условий основные продукты реакции - бензиловый спирт (окислитель-02), бензальдегид (Сг₂0₃) или бензойная кислота (0₂, Вг₂, бензоаты Со и Мn). При галогенировании в боковую цепь под действием УФ облучения превращается в смесь бензилхлорида, а, а - дихлортолуола (бензальхлорид) и (трихлорметил) бензола (бензотрихлорид); процесс сопровождается хлорированием в ядро. Гидрирование толуола на цеолитных и оксидных (Сг₂0₃, Мо0₃, СоО) катализаторах при высоких температурах (600-800°С, давление 3,5-6 МПа)  приводит к бензолу, гидрирование в присутствии  Ni, Pt и др. в жидкой (10-30 МПа, 100-200°С) или газовой (0,1МПа, 110-180°С) фазе к метилпикло - гексану. 

   

   

1.2. Теоретические основы процесса происходящего в аппарате 

   Теплота от одного тела к другому передается: теплопроводностью, конвекцией и тепловым излучением.

   Теплопроводность (кондукция) — перенос теплоты  вследствие движения и колебаний  микрочастиц, соприкасающихся друг с другом. Теплопроводностью передается теплота в твердых телах и тонких слоях жидкости и газа.

   Конвекция — перенос теплоты путем перемещения макрообъектов жидкости или газов. Перемещение возможно за счет разности плотностей, обусловленной неодинаковой температурой отдельных участков объема системы (естественная,  
 
 
 
 

или свободная, конвекция), а также  путем принудительного их перемещения в результате внешних механических воздействий с помощью насосов, компрессоров, воздуходувок и т.п. (вынужденная конвекция).

   Тепловое  излучение (лучеиспускание) — перенос  теплоты в виде элек-тромагнитных волн, излучаемых нагретым телом.

   Указанные механизмы распространения теплоты  редко встречаются в чистом виде. Обычно они сопутствуют друг другу - происходит так называемый сложный теплообмен.