Расчеты по технологии органического синтеза: изомеризация нормального пентана в изопентан

Внутренние стенки реактора футерованы жаропрочным материалом –торкретбетоном.Для расчета температуры стенки реактора примем: температуру в реакторе – 380 0С, температуру окружающей среды - 250С, толщина жаропрочного материала – 125 мм, внутренняя футеровка аппарата (толщина сетки -25 мм, толщина корпуса – 62 мм, теплопроводность торкретбетона -0,44 ккал/м2 0С, теплопроводность сетки - 10 ккал/м2 0С, теплопроводность стали – 50 ккал/м2 0С), α1=160 ккал/м2 0С – коэффициент теплоотдачи от реакционных газов к стенке аппарата, α2и=4,12 ккал/м2 0С – коэффициент теплоотдачи излучением, α2к=8,48 ккал/м2 – коэффициент теплоотдачи конвекцией.Тогда α2 коэффициент теплоотдачи в окружающую среду равен:α2=α2и+α2к=4,12+8,48=12,6 ккал/м2 0СКоэффициент теплопередачи по формуле:К=δст/λст = 2,58 ккал/м2 0С, тогда величина теплового потока:q=736ккал/м2ч.Температуру поверхности аппарата принимаем равной 1050 0С или 378 К, температура окружающей среды 298 К. Температура на границе соприкосновения панцирной сетки и газа, 0С:t1=361,7 0С. Температура на границе сопрокисновения сетки и торкретбетона, t2=t1-2,3=361,7-2.3=359,40С. Температура на границе сопрокосновения торкретбетона и стали, t3=t2-260,3=99.10С. t4 = t3 – = 99,1 – = 97,75.1.3 Технологический расчет реактораДанные для расчета:-температура входящих газов – не более 3800С-давление в реакторе – 5МпаОбъемная скорость 1,5-2,0 ч-1Количество смеси, поступающей в реактор -230437,3 кг/чКоличество н-петната, участвующего в изомеризации - 74892,35 кг/чОпределение объема сырья, поступающего в один реактор, м3/чVc = = 53,9 м3/ч, где q-количество пентана на изомеризациюz=0.9 коэффициент сжимаемости для пентана у= 625 кг/м3 –удельный вес н-пентана (принятый из расчета на жидкое сырье), 2 –количество аппаратов в системе изомеризацииОбъем катализатора в реакционной зоне, м3Vкат = Vc/V0=26,95м3, где V0 – объемная скорость подачи сырья- 2ч-1Вес катализатора по формуле:gкат=gнас·Vкат =650·26,95=17517,5 кг,где gнас- насыпной вес катализатора по ТУ -650 кг/м3.5.1.4 Размеры реактора1. Площадь поперечного сеченияS= V/w,где V-объем паров проходящих через реактор, w=0,85м/с – допустимая скорость движения паров в свободном сечении реактораВеличину V определим по формуле:Где Тp= 653 К –температура в реактореΣGi/Mi – количество парогазовой смеси в реакторе = 850,46кмоль/ч.Тогда произведя подстановку получим, V =9113,5 м3/ч,S=9113,5·0,85 =2,98 м22. Диаметр реактора равенD= 1.128 = 1,95 м.Высота слоя катализатораНкат=2,14 мНзап=Нкат+hH+hP = 2,14+0,3+0,05=2,49м≈2,5м, Где hH =0,3м высота слоя насадкиhP =0,05м высота слоя решеткиОбъем заполнения реактора      Vзап. = зап. = 7,43 м3.По экспериментальным данным объем заполнения составляет 70% от полного объема реактора, тогда объем реактора равен 10,6 м3.Определение высоты реактора, H=3,55м, тогда высота сепарационной части составит Нсч=Нр-Нзап=3,55-2,5=1,05м.Объемная скорость движения газа Vоб=0,001 м/с, фиктивное время пребывагия сырья в реакторе 0,86 ч.Истинное время пребывания сырья определим по формуле:tист=tфикт/ɛ = 0,86/0,48=1,8ч,где ɛ - порозность слоя катализатора определяемая через кажущийся и насыпной удельный вес катализатора ρкаж = 1,25 кг/м3 – кажущаяся плотность катализатора;        ρнас. = 0,65 кг/м3 – насыпная плотность катализатора.Интенсивность процесса составит 13131,5 кг/м3 (при количестве изопентана, полученном на данном реакторе 72050 кг/ч.5.1.5 Гидравлический расчет реактора1. Сопротивление слоя катализатора рассчитаем по формуле 2.Плотность потока определим по формулеρ= ΣGi/Vсек, где ΣGi- количество парогазовой смеси, поступающей в один реактор 19080,195 кг/ч        Vсек. – объемный расход смеси на выходе и на входе в реактор, м3/с.        Vсек. = 22,4·ΣGi/Miгде: ΣGi/Mi – общее число молей на входе 846,12кмоль/ч, на выходе 838,76 кмоль/ч;z-коэффициент сжимаемости 0,9Vвх.сек =0,227 м3/секVвых.сек =0,225 м3/секVсек=0,226 м3/секρ=23,45 кг/м33. Объемный расход парогазовой смеси 732,3 м3/ч4. Парогазовая смесь движется в реакторе со скоростьюW= = = 7.6 м/сСопротивление слоя катализатора составило 6 кг/м3, что соответствует допустимым параметрам.5.1.6. Механический расчет реактораВ технологическом процессе изомеризации н-пентана в изопентан используют реактор колонного типа. Выполним его механический расчет. Примем следующие исходные данные:ПараметрЕдиница измеренияЗначениеОбъемкуб.м40 Диаметр внутренниймм2726 Высотамм9070Давление расчетноеКгс/см250Температура среды расчетнаяºС500Температура стенок расчетнаяºС300Вес аппаратакг44400Толщина обечайки рассчитываем по формуле:где σдоп= 1730 кг/см2 – допустимое напряжение φ = 0,95 – коэффициент прочности сварного шва;с-поправочный коэффициент на коррозию, с= 0,2 смс1-дополнительная прибавка на округление размеров, с1=0,3 смПроизведя подстановку значений в формулу и вычислив, получим S=5,8 см. Конструктивно принимаем толщину обечайки равной 6 см.Рассчитаем напряжение, возникшее от давления внутреннего:σ= φ·Р = 1570 Кгс/см2Получаем σ˂σдоп или 1570˂1730. Допускаемое давление по формуле =5,53 кгс/см2Толщину стенки днища рассчитаем по формуле:Расчетная толщина днища , мм.  = 5,0 смгде коэффициент  вычисляют по формуле .Конструктивно принимаем днище с толщиной стенки 6 см.5. Напряжение возникшее от внутреннего давления на стенку днищаσ = φ·Р = 1510Кгс/см2Получаем σ˂σдоп или 1510˂1730. Давление допущенное = 57,00 кг/см25.1.7 Расчет диаметра штуцеров 1. Диаметр штуцера по формулеD= = =0,2 м,где V=Vc=53.9 м3/ч – объем сырья поступающего в реакторw=15 м/с – скорость движения газаУчитывая наличие футеровки принимаем диаметр шруцера равный 0,4 м.Расчет вспомогательного оборудованияРасчет теплообменникаИсходные данные для расчета:ПараметрЕдиница измеренияЗначениеТемпература фракции н-пентанаºС40Температура уходящей паро-газовой смесиºС270Температура газов для реацииºС390Температура отработанных газовºС150давлениеКгс/см250Количество поступающей в теплообменник фракцииКг/час73900Таблица 5.2.1Тепловая нагрузка на теплообменниккомпонентыкг/часЭнтальпия при 3900СЭнтальпия при 1500СРазность энтальпийКоличество тепла, кДж/часС4667,61476817659439948,4Н-пентан886,81448754694615439,2изопентан720501442,075468849570400С6 и выше147,81420733687101538,6Сумма передельных углеводородов147,81630972658143661,6итого7390050870978Средняя разность температур:390 0C -150 0C2700C -40 0CΔt1=390-270=1200CΔt2=150-40=1100CΔtср =115 0С.Площадь поверхности теплообменника определяется по формуле:F=Q/KΔt = 50870978/586.6·115=750 м2,Где к=586,6 кДж/м2ч0С –коэффициент теплопередачи, который приняли предварительно.Расчет коэффициента теплопередачи.Скорость газа в трубном пространстве по формулеW=V/S=2.46 м/с,Где V-секундный объем,S – сечение труб, м2Критерий Рейнольдса по формуле:Re= =65878.Где ρ=23,5 кг/куб.м – плотность газаμ = динамическая вязкость 14·10 -6 Н/м2Критерий Рейнольдса получился больше 10000, значит принимаем турбулентный устойчивый режим движения.Критерий Прандтля: =0,503где n = m/r – кинематический коэффициент вязкости, m – динамический коэффициент вязкости,r – плотность, λ – коэффициент теплопроводности = 0,058 ккал/м0С, а = λ/r*cp – коэффициент температуропроводности, cp – удельная теплоёмкость среды при постоянном давлении=0,58 ккал/кг0СКритерий НуссельтаNu=0.023·Re·0.8·Rr·0.4=0.023·657870·0.8·0.503·0.4=126Скорость газа в межтрубном пространствеW=V/S=0,5 м/с,Где V-секундный объем,S=0,785(D2-ndвн)= 0,785·(1,02-918·0,022)=0,5Критерий Рейнольдса (по формулам выше)=12354, Критерий Рейнольдса получился больше 10000, значит принимаем турбулентный устойчивый режим движения (μ = динамическая вязкость 18·10 -6 Н/м2).Критерий Прандтля (при удельной теплоемкости смеси 0,76 ккал/кг0С, теплопроводности смеси 0,06 ккал/м0С) равен 0,75.Критерий Нуссельта (по формулам выше) равен 38,0.Расчет термического сопротивления стенкиприТермическое сопротивление стенки и загрязнений определяется по формуле  =0,00085ккал/мч0Сгде rзагр1 – загрязнение со стороны горячего теплоносителя и стенки= 2500 ккал/мч0С; rзагр2 – загрязнение со стороны стенки и холодного теплоносителя, = 2500 ккал/мч0С; δст – толщина стенки, 0,002 м; λст – коэффициент теплопроводности стальной стенки, 40 ккал/м2ч0СКоэффициент теплопередачи по формуле:= 104 ккал/м2ч0С или 436 кДж/м2ч0СПлощадь поверхности теплообменаF= Q/ (KΔt_ср)=310,5 мПринимаем2 аппарата:параметрЕдиница измерениязначениеПоверхность теплообменаКВ.м346 Количество трубок,шт918Диаметр трубокмм20*2Длина трубмм6000Прочности запас%100Внутренний диаметр кожухамм10005.2.2 Расчет емкостиРасчет объема по формулеV=Vна изом·t·η/ρ=74.0 м3,Где t=0.25 ч – время хранения ρ=600 кг/м3- плотность смеси η=0,8 –коэффициент заполненияК установке принимаем емкость:параметрЕдиница измерениязначениедиаметрм4,2Длина емкостим4,5объемМ375Расчетное давлениеКгс/см210Температура расчетная0С60вескг150005.2.3. Расчет насосаПроизводительность по формуле (при коэффициенте n=1.1) ρ=600 кг/м3- плотность смеси, количество фракции н-пентана подаваемое насосом – 28530,17 кг/ч, кпд η=0,7, напор насоса 60 мQ = F·S·n·ηV = 0,0073 м3/с, тогда мощность, потребляемая насосом N=3.5 кВт.По расчетным данным принимаем:параметрЕдиница измерениязначениемаркаНПС120/65-75производительностьКуб.м50напорМм. Ст.жид750ДвигательВА02-450LA-2Y2мощностькВт256.Аналитический контроль производстваВключает в себя комплекс аналитических работ, которые выполняются для оценки состава, свойств и структуры соответствия материалов и произведенной продукции установленным требованиям стандартов.На предприятиях функции проведения аналитического контроля возложены на службы аналитики, включающие химические лаборатории, занимающиеся отборов проб исходных веществ и производимой продукции и выполняющие весь спектр исследовательских и опытных мероприятий, а также дающих заключение о качестве используемых материалов.В современных предприятиях широко используется автоматизированные системы входного и выходного аналитического контроля без присутствия персонала. Все измерения проводятся в режиме реального времени и передаются на пульты лабораторий, для дальнейшей их обработки.Схема 6.1 Задачи, решаемые аналитической службой Аналитический контроль технологических процессов производства представляет собой постоянный процесс наблюдения за динамикой изменений важных параметров процесса физической и химической природы в масштабе реального времени.Схема 6.2.  схема технологического процесса произодства10 __________________10ШаевичА.Б. Аналитическая служба как система. М.: Химия, 1981. С. 15ЗаключениеВ современном мире в технологиях изомеризации все болшее применение находят низкотемпературные катализаторы, эффективность использования которых превосходит высокотемпературные катализаторы, представляющие собой нанесенную на фторированный оксид алюминия платину, а также среднетемпературные платиновые катализаторы, нанесенные на цеолит, признаны неэффективными по причине высоких температур и выходят из употребления. Список использованных источниковГОСТ 30780-2002 Сосуды и аппараты стальные. Компенсаторы сильфонные и линзовые. Методы расчета на прочность, , https://www.standartgost.ruГОСТ 34233.3-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Укрепление отверстий в обечайках и днищах при внутреннем и наружном давлениях. Расчет на прочность обечаек и днищ при внешних статических нагрузках на штуцер, https://www.standartgost.ruГОСТ 34233.7-2017 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность. Теплообменные аппараты, https://www.standartgost.ruСуханов В.П. Каталитические процессы в нефтепереработке. М., Гостоп-тахнадат, 1963Бухмиров В.В. Тепломассообмен: Лекции – www.tot.ispu.ru, Иваново, 2006 г..Химия и переработка нефти и газа. Экспресс-информация. Вып. 0. М., ВИНИТИ, 1970. См. с. 1-6.Куприянова А.В. Статья Каталитическая изомеризация пентанов и гексанов, Библиофонд, https://www.bibliofond.ruПлешакова Н.А., Рохманько Е.Н., Лаптева А.Ю., Иващенко И.С. Эксплуатация установок изомеризации НПЗ ПАО "НК "Роснефть" (ПАО АНК "Башнефть") // Химические технологии. - 2018. - №7. - С.21-22.Кузьмина Р. И., Заикин М. А., Манин С. Д., Мендагалиева Д. Р. Повышение активности промышленного катализатора изомеризации парафиновых углеводородов // Изв. Сарат. ун-та. Нов.сер. Сер. Химия. Биология. Экология. 2017. Т. 17, вып. 1.ШаевичА.Б. Аналитическая служба как система. М.: Химия, 1981. С. Приложение.Схема технологической установки изомеризации пентана в изопентан