Проект производства формалина (стр. 20 из 23)

(19.10)

где, D – внутренний диаметр кожуха, м;

n – число перегородок в межтрубном пространстве;

ω – скорость движения жидкости, м/с;

d_э – эквивалентный диаметр межтрубного пространства, d_э = 0,0334;

ρ – плотность жидкости, кг/м³;

λ – коэффициент трения, λ = 0,6 [1, с. 446].

Затраты давления на подъем охлаждающей жидкости:

(19.11)

∆P_под=

= 112304,88 Па;

∆Р = ∆Р_м.тр. + ∆Р_под.= 26,42 + 112304,88 = 112331,3 Па. (19.12)

19. МЕХАНИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ

Цель расчета – определение размеров отдельных элементов, обеспечивающих безопасную эксплуатацию аппарата за счет установочной механической прочности, плотности расчетных соединений, устойчивости к сохранению формы и необходимой долговечности.

19.1 Обоснование конструкции основного аппарата

Реактор (контактный аппарат поз.Р1) предназначен для окислительного дегидрирования метанола в формальдегид в газовой фазе на пемзосеребряном катализаторе. Реактор представляет собой стальной вертикальный цилиндрический аппарат, разделенный на две секции: верхнюю (секция контактирования) и нижнюю (подконтактный холодильник). В нижней части секции контактирования на свободно лежащую решетку, покрытую двумя слоями сеток, засыпан катализатор. В этой секции происходит, непосредственно, синтез формальдегида. Разогрев контактной массы, при пуске, до температуры 300÷350°С, при которой начинается реакция превращения метанола в формальдегид, осуществляется включением электрозапала, представляющего собой три нихромовые спирали (диаметром 0,4 мм), уложенные поверх слоя катализатора. Дальнейший подъем температуры происходит за счет выделяющегося тепла реакций. Секция контактирования снабжена штуцером для подвода метаноло-воздушной смеси, люком-лазом (для загрузки и выгрузки катализатора). В связи с тем, что метаноло-воздушная смесь взрывоопасна, на случай аварийных ситуаций, секция контактирования снабжена, также, двумя взрывными мембранами. Для контроля температуры в слое катализатора имеются два штуцера, предназначенных для подсоединения датчиков температуры.

Синтез формальдегида протекает с выделением тепла при температурах 550÷700°С. При таких температурах формальдегид неустойчив и возможно его необратимое разложение, поэтому требуется быстрое охлаждение (закалка) контактных газов до температуры не выше 200°С. ПО этой причине непосредственно под верхней секцией контактного аппарата (в нижней секции) смонтирован теплообменник (подконтактный холодильник). Подконтактный холодильник представляет собой кожухотрубчатый одноходовой теплообменник, по трубному пространству которого движутся контактные газы, а в межтрубном пространстве происходит кипение водного конденсата. Для равномерной подачи конденсата и отвода водяного пара имеется по шесть штуцеров, расположенных радиально, соответственно в нижней и верхней частях межтрубного пространства. В нижней части холодильника имеются: штуцер для отвода контактных газов, люк-лаз (для регламентных работ), дренажный штуцер. Для компенсации температурных напряжений на корпусе подконтактного холодильника предусмотрен линзовый компенсатор. Контактный аппарат устанавливается на несущие балки металлоконструкции с помощью юбочной цилиндрической опоры.

19.2 Выбор материала основных элементов аппарата

На выбор конструкционных материалов для изготовления аппаратов химической промышленности влияет ряд факторов, таких как:

- агрессивность среды, с которой контактирует материал;

- температура;

- давление;

- стоимость материала;

- легкость его обработки и т.д.

Главными из этих условий являются агрессивность среды и температура.

В контактном аппарате рассматриваемой конструкции можно выделить три группы деталей и узлов: детали, соприкасающиеся с контактным газом и метаноло-воздушной смесью (обечайка, крышка и днище, трубы подконтактного холодильника, трубные решетки т.д.); детали, соприкасающиеся с водяным паром и конденсатом (штуцера для подвода конденсата и отвода пара, трубчатка подконтактного холодильника и т.д.); детали, находящиеся в контакте только с внешней средой (монтажные штуцера, опора и т.д.).

Контактный газ является агрессивной средой и имеет достаточно высокую температуру, до 700°С, поэтому узлы и детали, соприкасающиеся с ним, следует изготовлять из жаропрочных материалов с высокой коррозионной стойкостью. Этим условиям удовлетворяют высоколегированные стали типа 12Х18Н10Т (ГОСТ 5632 – 61). Эта сталь обладает хорошими прочностными свойствами, жаропрочна при температурах 700°С, характеризуется высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах, технологична в обработке, хорошо деформируется в горячем и холодном состояниях, хорошо сваривается всеми видами сварки и не требует обязательной термической обработки изделия после сварки. Единственный недостаток этого материала – высокая стоимость [17, c.79].

Другая группа деталей и улов находится в контакте с водяным паром и конденсатом при температурах порядка 100÷150°С. Вода является менее агрессивной средой по сравнению с контактным газом, поэтому для изготовления узлов и деталей, контактирующих с водой, можно использовать стали с меньшей коррозионной и жаростойкостью, такие как углеродистые или низколегированные стали. В конструкции действующих контактных аппаратов для изготовления деталей контактирующих с водой применяется низколегированная сталь марки 09Г2С (ГОСТ 5520 – 62). Саль этой марки характеризуется повышенной прочностью и ударной вязкостью, хорошо деформируется и обрабатывается резанием, легко сваривается всеми видами сварки, однако, неустойчива во многих агрессивных средах. Использование этой стали выгоднее и с финансовой точки зрения в виду ее дешевизны. [17, c.69].

Детали, находящиеся в контакте только с внешней средой, следует изготовлять из возможно более дешевых материалов, обладающих, однако, достаточной механической прочностью. В конструкции действующего контактного аппарата для изготовления такого рода деталей используется углеродистая сталь Ст.3сп. (ГОСТ 380 – 60). Сталь этой марки характеризуется хорошим сочетанием механических свойств, позволяющим применять ее для изготовления ответственных деталей и узлов, хорошо обрабатывается резанием и давлением, хорошо сваривается всеми видами сварки, однако, как и сталь марки 09Г2С неустойчива во многих агрессивных средах [17, c.68].

В качестве прокладочного материала в действующих контактных аппаратов используется паронит марки ПОН-Б (ГОСТ 481 – 80). Этот материал может использоваться в агрессивных средах при рабочих давлениях среды до 6 МПа и температурах до 500°С [17, c.240], следовательно, выбор его оправдан.

19.3 Расчет диаметра патрубков

Подбор патрубков и фланцев будем проводить по условному проходу и условному давлению.

Расчет диаметра патрубков рассчитывается по формуле:

(20.1)

где, G – расход продукта, кг/ч;

ω – скорость движения продукта, м/с;

ρ – плотность продукта, кг/м³.

Значение скоростей движения продуктов в таблице 20.1 [1, с.100].

Таблица 20.1 – Значение скоростей движения продуктов

Продукты	Назначение патрубка	Температура, ^оС	Плотность, кг/м³	Скорость, м/с	Расход, кг/с
КонденсатКонденсат	входвыход	90123	996954	1,650	10,510,5
Спирто – воздушная смесьКонтактные газы	входвыход	100180	0,9400,818	3030	77

Результаты расчета в таблице 20.2.

Таблица 20.2 – Результаты расчета

Продукты	Диаметр по расчету, м	Принятый диаметр, м
КонденсатКонденсатСпирто – воздушная смесьКонтактные газы	0,1680,09180,5630,739	0,20,10,60,8

Диаметры патрубков принимаем согласно ГОСТ 28759.2 – 90.

Основные размеры подобранных фланцев к патрубкам в таблице 20.3.

Таблица 20.3 – Основные размеры подобранных фланцев к патрубкам

Пат-ру-бок	D	D₁	D₂	D₃	D₄	D₅	S	h	h₀	d	Z	a	a₁
1	100	205	170	148	108	-	-	11	4	16	8	-	-
2	200	315	280	258	219	-	-	15	4	16	4	-	-
3	600	720	680	644	652	643	8	30	-	23	24	14	12
4	800	920	880	842	852	841	8	35	-	23	32	14	12

Для входа и выхода конденсата используют плоский-приварной фланец, а для входа спирто-воздушной смеси и выхода контактных газов - тип фланцевого соединения ″шип-паз″.

19.4 Расчет толщины стенок обечайки и днища

Толщина стенки обечайки реактора

Исходные данные:

материал – сталь 12Х18Н10Т;

температура – 650^оС;

диаметр – 3,0 м;

расчетное давление – 0,3 МПа;

нормативно допустимое напряжение σ^* = 113 МПа [1, с. 33, таб. 1.4];

толщину обечайки рассчитываем по формуле:

(20.2)

где, φ = 1 – коэффициент прочности сварного шва;

σ_доп – допустимое напряжение, МПа;

σ_доп =

(20.3)