Проектирование реактора этерификации

Это в частности швы приварки лопаток к щеке. Автоматизировать приварку этих изделий не удаётся, и по этой причине для изготовления изделия наряду с автоматической установкой УСКК-2 будет применяться п/а А-547У.Анализ второго способа: автоматическая сварка в среде СО2 на установке УСКК-2.Позволяет получить более высокую производительность по сравнению с полуавтоматической сваркой в СО2. Это вызвано следующими факторами; равномерным движением детали, т. е равномерной скоростью сварки. Скорость сварки и качество выполнения шва зависит от квалификации сварщика, его физического состояния. Кроме этого появляется возможность использования нескольких установок одновременно, управляемых одним оператором, что в конечном счёте ведёт к повышению производительности.Данное изделие изготавливают из сталей 20, 45 по ГОСТ 1050-74. Это углеродистые стали, которые обладают хорошей свариваемостью.Для сварки стали 45 необходимо применить предварительный подогрев, а после сварки отжиг. В результате, при сварке образуется в околошовной зоне закаленная зона, очень высокой прочности, но малой пластичности, хотя и обеспечивается удовлетворительное формирование шва. По этой причине, с целью снижения скорости охлаждения ОШЗ при сварке сталей 45 выполняется предварительный подогрев. Подогрев позволяет получить в ОШЗ структуру, которая обладает закосом пластичности, достаточным для того, чтобы не образовались трещины в результате ТДЦ. Для снижения внутренних напряжений после сварки производят отжиг детали Т=675-700С охлаждение до Т=100-150 оС вместе с печью. Для изготовления деталей используют 2 способа: п/а и и автоматическая сварка в СО2. Это позволяет получить сварное соединение заданной прочности, вязкости и пластичности. Сварку ведут проволокой СВ 08 Г2С с достаточным содержанием элементов раскислителей (Mn, Si и др.).Итак, изделие изготовляется с применением 2-х способов сварки: п/а и автоматическим. Это вызвано тем что приварку лопаток автоматизировать не удастся, а применение автоматической сварки на УСКК-2 позволяет повысить производительность, а также даёт возможность применения сразу нескольких способов [15, c.346].4.2Выбор и обоснование конструкции аппарата и его деталей4.2.1 Общая характеристика оборудованияРеактор смешения – это емкостной аппарат с перемешиванием механической мешалкой.Для идеального смешения характерно абсолютно полное выравнивание всех характеризующих реакцию параметров по объёму реактора.Впроектируемом реакторе периодического действия все реагенты вводят в реактор до начала реакции, смесь выдерживают в реакторе необходимое время, после чего производится выгрузка продуктов. Продолжительность операции от момента загрузки до момента выгрузки соответствует времени реакции. Обычно параметры технологического процесса в периодическом реакторе изменяются во времени. Недостатки периодических реакторов – цикличность работы, низкая производительность, большие затраты ручного труда. Такие реакторы выгодны при организации малотоннажных производств, т.к. в ходе операции можно строго следить за параметрами, поддерживая их на оптимальном уровне.4.2.2 Расчет штуцеровВнутренний диаметр штуцеров для подвода и отвода исходных веществ и продуктов рассчитывается на основе уравнения массового расхода и округляется до ближайшего стандартного значения по уравнению [14]:, принимаем ;Штуцер для входа спирта:, .мОкругляя до стандартных значений, принимаем .Штуцер выхода продукта:, .Округляя до стандартных значений, принимаем .Штуцеры для входа и выхода теплоносителя (пара) в рубашку:, .Округляя до стандартных значений, принимаем .Штуцер для отгона воды и спирта:, .Округляя до стандартных значений, принимаем .Штуцер для продувки азотом:V = 5 л/с, w = 40м/сОкругляя до стандартных значений, принимаем .Присоединение к аппарату трубной арматуры, а также технологических трубопроводов для подвода и отвода жидких и газообразных продуктов осуществляется с помощью штуцеров или вводных труб. На практике достаточно часто применяются фланцевые штуцера - разъемные соединения, имеющие высокий показатель надежности и работоспособности [15, c. 659].Для разъемного соединения составных корпусов и отдельных частей химических аппаратов используются фланцевые соединения, преимущественно круглой формы. С помощью указанных соединений к аппаратам присоединяются трубы, арматура и т.д. Таблица5. Размерыштуцеровпо ОСТ 26-426-79 [15, с.659].НазначениеDy,ммDf,ммDb,ммD,ммdн,ммh,ммdб,мм12345678Вход спирта10036020090801616Отгон спирта и воды40013608003603203232Выход продукта10036020090801616Вход/выход теплоносителя5018010045551212Согласно производственным данным, для ввода сырья в аппарате используются штуцеры диаметром 50 мм, для возможности загрузки реагентов с меньшей скоростью.4.3Прочностные расчеты основных элементов аппарата4.3.1 Расчет толщины обечайкиСтандартным материалом обечаек (обечайка – цилиндрический корпус аппарата) является сталь Ст3 сп3 ГОСТ 380-71 [11, 15]. Толщину стенки обечайки рассчитаем по уравнению: – прибавки, причем для данной марки стали в рассматриваемых условиях: – прибавка на коррозию и эрозию, примем 1,0 мм; – прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм; – технологическая прибавка, примем 0,51 мм [16, c.23 – 25].Предельно допустимое напряжение для Ст3 равно МПа.Внутренний диаметр обечайки равен 1,8 м:мм.По расчётам, максимальная толщина обечайки составляет 2,5 мм, однако, согласно техническим требованиям, толщина стенки должна составлять не менее 10 миллиметров [1, 3]. Проведем поверочный расчет.Стенки цилиндрического корпуса вакуум-аппарата при избыточном внешнем давлении чаще всего деформируются по двум причинам: потеря аппаратом устойчивости из-за недостаточной толщины стенки, если внешнее давление равно критическому или больше него, при котором наблюдается потеря устойчивости;плохой монтаж или ремонт аппарата, если были допущены отклонения от цилиндрической формы корпуса аппарата более 0,5% его радиуса, т. е. более 0,005R.Критическое наружное давление [11, c.112]:где Е – модуль упругости корпуса обечайки, Па. Модуль упругости Е = 191,6 ГПа приведен для стали Ст3сп5 при температуре Т = 160º СL – длина корпуса обечайки, 5,585 м,х – отношение диаметра к толщине стенки, 1800/10 = 180.ПаДопускаемое избыточное давление составит:При обычной точности изготовления аппаратов, когда отклонение корпуса от цилиндрической формы меньше 0,005R (радиуса аппарата), для углеродистых сталей =5...6.ПаРеальное избыточное давление:где - давление в аппарате, 8.104 Па,где - давление атмосферное, 10,14.104 Па,<ПаСледовательно, толщина обечайки рассчитана верно.4.3.2 Расчет толщины днищаТолщину эллиптического днища и крышки рассчитаем по уравнению: – прибавки, причем для данной марки стали в рассматриваемых условиях: – прибавка на коррозию и эрозию, примем 1,0 мм; – прибавка на минусовое отклонение по толщине листа, примем 0,7мм; – технологическая прибавка, примем 0,51 мм [3, c.23 – 25].Предельно допустимое напряжение для Ст3 равно МПа.Внутренний диаметр крышки и днища равен 1,8 м:мм.По расчётам, максимальная крышки и днища 2,5 мм, однако, согласно техническим требованиям, толщина стенки должна составлять не менее 10 миллиметров [11, 15]. Таблица 6. Размеры эллиптических отбортованных стальных днищ с внутренними базовыми диаметрами ГОСТ 6533-78, мм [15, с.447].DвнS,ммh, ммhв, ммFв, м2Vв, м3180010405004,591,171Допускаемое наружное давление определяют по формуле:где Р1— допускаемое давление из условия прочностикраевой зоны;Р2- допускаемое давление из условия устойчивости центральной зоны. Допускаемое критическое давление из условия прочностикраевой зоны определяется по формуле:где - коэффициент конструкции, для сферического днища равный 0,41.MПаДопускаемое критическое давление из условия прочностицентральной зоны определяется по формуле:MПаПри обычной точности изготовления аппаратов, когда отклонение от эллиптической формы меньше 0,005R (радиуса днища/крышки), для углеродистых сталей =5...6.ПаРеальное избыточное давление:где - давление в аппарате, 8.104 Па,где - давление атмосферное, 10,14.104 Па,<ПаСледовательно, толщина днища/крышки рассчитана верно.4.3.3 Расчет толщины трубы змеевикаВнутренний диаметр трубы [11, 15]: D = Da - 2×s D = 60 - 2×5 = 50 ммСуммарная прибавка к толщине стенки трубы: c = c11 + c21 c = 0.5 + 1 = 1.5 ммРасчетная толщина стенки трубы: sR = pDa / (2[σ]+p) sR = 0.4×60/(2×141.4 + 0.4) =0.08 ммРасчетная толщина трубы с учетом прибавок: sR + c = 0.08 + 1.5 = 1.58 мм < 5 мм - выполненоДопустимое рабочее давление в прямой трубе: : [p] = 2[σ](s - c)/(Da - (s - c)) [p] = 2×141.4(5 - 1.5)/(60 - (5 - 1.5)) = 17.52 МПа> 0,4МПа4.2 Расчет опоры реактораПредполагается, что реактор смешения устанавливается на цилиндрической опоре, расположенной на бетонном полу цеха предприятия. Тогда суммарная массааппаратаскладываетсяиз массы аппарата по паспорту (m = 5200 кг) и массы заполняющего его смеси [16, c.12].кгПереведем полученный результат в МН по формуле (4.8):МНгде Gап– масса аппарата, кг;g – ускорение свободного падения (g=9,8м/с2).МНПодберем опору: Таблица 4. Размеры циллиндриеских опор для аппарата[16, c.12]Q, MHD1, ммD2, ммS1, ммS2, ммS3, ммd2, ммdб, ммЧисло болтов, Zб0,1180020008202035М3016Минимальную площадь опоры определяем из максимально допустимого давления на опроную конструкцию: где qуд – удельное давление, для бетона равное 200 кПа. м2Площадь нижней части опоры:м2> 0,5 м2Следовательно, условие соблюдается.4.3.2 Расчет фланцевых соединенийРасчет стержня болта [11, 15]Исходные данные для расчета:Материал болтов: сталь 35Х.Расчетное давление в змеевике:0,4 МПа. Диаметр окружности расположения болтов Dб = 75мм. Диаметр осевой линии прокладки Dnp = 100мм. Полное усилие, действующее на все болты от внутреннего давления:кгПринимаем количество болтов z = 8. Коэффициент затяжки болта k=1,8. Расчетное усилие на один болт:кгРасстояние между болтами (шаг болтов):м = 30 ммНоминальный диаметр болтам = 15 ммгде = 600 МПа — предел прочности стали 35Х;n = 6,5 — запас прочности для хорошо обработанных болтов. Принимаем d0 = 1,5 см.Напряжение в стержне болта МПа,Круглый литой фланец под болты М35.Исходные данные для расчетаМатериал фланца: сталь 45Л. Предел прочности стали 45Л: = 5500 кг/см2. Расчетноеусилиенаодинболт(израсчета болтов) Р0 = 20,901 кг.Диаметр опасного сечения фланца: Dy = 172 см.Плечо изгиба а = 4,25 см. Число болтов z = 8. Толщина литого фланца [15, c.221]:где Rb— допускаемое напряжение на изгиб: кг/см2 = 6,9 МПаnb= 8 - запас прочности для стального литья; k= 1,8 — коэффициент затяжки болтов; С = 0,5 см — прибавка.м.4.3.3 Расчет диаметра неукрепляемого отверстияПредпочтительной схемой укрепления является укрепление без накладного кольца, т.е. с помощью избыточной толщины стенки штуцера. Поэтому условие укрепления сначала проверяется для схемы укрепления без использования накладного кольца [11, c.135]. Компенсируемую площадь отверстия А определяют по формуле:А = 0,05 dp–dop.Spгдdp- диаметр отверстия; dop расчетный диаметр. Sp – толщина стенки укрепляющего элемента, м.Расчетный диаметр определяется по формуле:С - суммаприбавоккрасчетнойтолщине стенки, 0,005 м.мСледовательно, из присутствующих в аппарате, укрепляется только отверстие диаметром 400 мм.А = 0,05.0,4– 0,114.0,01 = 0,019 м24.3.4Проверочный расчет опоры в рабочих условияхТак как аппарат находится в помещении, то ветровых нагрузок он не испытывает [11, c.166]. Продольныенапряженияσхследуетрассчитывать :гдеD– внутреннийдиаметраппарата,м ;F – осевоесжимающееусилие,Н (вес в рабочих условиях);р– избыточное давление,Па;s – исполнительнаятолщинастенкиаппарата,м;с – суммавсехприбавоккрасчетнойтолщине ,м; ПаКольцевыенапряженияσуследует рассчитыватьпоформулеПаЭквивалентныенапряженияσЕследуетрассчитывать:ПаУсловияпрочности следуетпроверять: [σк]– допускаемоенапряжениедляматериалакорпусааппаратаприрасчетнойтемпературепоГОСТ 14249 [17];φ–коэффициентпрочностисварногошвапо ГОСТ 14249, который принимаютравным 1,0. Получили при t = 150 oC:Проверкуустойчивостиаппаратов,работающихподнаружнымдавлением, длярабочихусловийследуетпроводитьпо формуле:гдеp ,F,Mпринимаютпо[],а [p]определяютпо ГОСТ 14249.гдедопускаемое осевоесжимающееусилие[F]σизусловияпрочности.НДопускаемоеосевоесжимающееусилие[F]Е определяютизусловияместнойустойчивостивпределахупругости по формуле: где Е – модуль упругости корпуса обечайки, Па, Е = 191,6ГПа.НДопускаемыйизгибающий моментследуетрассчитыватьпоформуле:гдедопускаемыйизгибающиймомент[М]σизусловияпрочностирассчитываютпоформуле:Н.мадопускаемыйизгибающиймомент [M]Е изусловияустойчивостив пределахупругости – по формуле [11, c.168]: Н.мНОтсюда определим устойчивость:< 1Следовательно, аппарат в опоре устойчив.ЗАКЛЮЧЕНИЕВ представленной курсовой работебыл произведен подбор и расчет аппарата – реактора смешения для производства 2,4-Д-2-этилгексилового эфира – гербицида, широко применяемого в сельском хозяйстве. Рассчитан реактор этерификации периодического действия, производительностью 4,2 т эфира за одну загрузку, проведены необходимые материальные и тепловые расчеты.Химически чистый 2,4-Д (2-этилгексиловый эфир) - бесцветная вязкая жидкость, растворимая в органических растворителях, в водных растворах быстро подвергающуюся гидролизу до кислоты. Получают 2,4-Д-2-этилгексиловый эфир по реакции этерификации в избытке спирта.Этерификация при неглубоком вакууме Рост = 0,09-0,08 МПав избытке спирта при нагревании реакционной смеси до 100–110 ºС и перемешиванием посредством барботирования азотом. Отгон избыточного спирта по окончанию химической реакции осуществляется при вакууме Рост. = 0,02-0,01 МПа и температуре 150-160 0С.Для проведения реакции по результатам проеденных расчетов был выбран стальной эмалированный сварной аппарат СЭрнв 6,3-31-02 диаметром 1,8 м, высотой 5,585 м, диаметром мешалки 1,3 м, и площадью теплообмена (теплоноситель – водяной пар с температурой 180-200 0С) 12,3 м2. Приведенные характеристики стандартного аппарата были подтверждены поверочным расчетом. По результатам гидравлического расчета был подобран электродвигатель для перемешивающего устройства мощностью 7,5 кВт. По результатам механического расчета были подобраны патрубки, фланцевые соединения, опора аппарата и проведены необходимые прочностные расчеты.Таким образом, задачи, поставленные во введении работы, можно считать выполненными.СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВЮкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. - М.: Химия, - 1968. - 848 с.Государственный каталог пестицидов и агрохимикатов, разрешенных к применению на территории РФ. – М.: Минсельхозразвития РФ, 2012. – 625 с.Груздев Г.С. Химическая защита растений. Учебник. - 3-е изд., перераб. и доп. - М.: Агропромиздат, 1987. - 415 с.Кобриц Г.А.Меры безопасности при работе с пестицидами.Справочник. – М.: Агропромиздат, 1992. – 125 с.Лащинский А.А., Толчинский А.Р. Основы конструирования и расчета химической аппаратуры. Справочник. – Л.: Машгиз, 1970. – 753 с.2-Этилгексанол. Характеристика продукта [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.xumuk.ru/encyklopedia/2/5421.htmlНовиков В.Т. Тепловые расчеты в химической технологии. Учебное пособие. – Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2011. – 216 с.Павлов К. Ф., Романков П. Г., Носков А. А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. - Л.: Химия,1987 – 576 с.Перельман В.И. Краткий справочник химика. – М.: Химия, 1964 – 624 с.Сутягин В.М., Бочкарев В.В. Основы проектирования и оборудование производств органического синтеза: Учебное пособие /В.М. Сутягин, В.В. Бочкарев; Томский политехнический университет. – 2-еизд. –Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2009.–188 с.Коптева В.Б. Опоры колонных аппаратов. Тамбов: Изд-во Тамб. гос. техн. ун-та, 2007. – 24 с.Однокорпусные вакуум-аппараты и их расчет[Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://mppnik.ru/publ/ovoshhekonservnaja_i_pishhekoncentratnaja_promyshlennost/odnokorpusnye_vakuum_apparaty_i_ikh_raschet/4-1-0-394Петьков В.И., Корытцева А.К. Химические реакторы. Электронное учебно-методическое пособие. - Нижний Новгород: Нижегородский госуниверситет, 2012. - 71 с. Конспект лекций по дисциплине «Расчет и конструирование типового оборудования» для студентов специальности 7.090220 «Оборудование химических предприятий и производств строительных материалов» (в 2-х частях). Часть 1.» Расчет и конструирование тонкостенных аппаратов»/ Сост. И.М. Генкина. – Северодонецк, ТИ, 2009. – 239 с. ГОСТ 14249-89. Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. – М.: Госстандарт СССР, 1989. – 56 с.