Полиэтилен высокого давления

 

2.2 Тепловой баланс

 

Исходные данные:

Количество, кг/ч: этилена  = 195,83 тыс кг/ч, инициатора 8,17 тыс кг/ч, полиэтилена 61,25тыс кг/ч, =61, 28 тыс кг/ч.

Температура, ⁰С: в реакторе =300 ⁰С, =25 ⁰C, =40 ⁰C.

Тепловой эффект реакции  полимеризации  = 3600 кДж/кг.

с_э=43,63 , с_п=2,7 , с_ц.э.=1,59 , с_ф=35,34

 

Тепловой баланс реактора

 

Приход тепла, Вт:

1. Со свежим этиленом: 195,83*40*43,63=341762,516 кДж/ч=94 934 Вт
2. С кислородом: =8,17*25*29,37= 5998,8225 кДж/ч=1666,3 Вт
3. С циркулирующим этиленом =1,59*40*623,4=142733,664 кДж/ч=39648,24 Вт
4. Тепловой эффект реакции: =3600*61,25= 220 500 кДж/ч=61 250 Вт

Всего входит: 197 497,54 Вт

 

Расход тепла, Вт:

 

1. С полиэтиленом: 61,25*300*2,7=49612,5 кДж/ч=13 781,25 Вт
2. С циркулирующим этиленом =1,59*300*24,5=11686,5 кДж/ч=3246,25 Вт
3. С формальдегидом: 300*35,34*61,28=649690,56кДж/ч =180469,6 Вт

Всего выходит: 197 497, 1 Вт

 

Таблица 3

Тепловой баланс производства полиэтилена

 

Приход, Вт		Расход, Вт
	94 934		13 781,25
	1666,3		3246,25
	39648,24		180469,9
	61 250
Всего	197 497,54	Всего	197 497,1

 

 

По нагреваемой среде:

а) состав вода;

б) начальная температура 25 0С;

в) конечная температура 170 0С;

г) давление 1 атм;

По охлаждаемой среде:

а) этилен 95,999% и кислород 4%;

б) начальная температура 250 0С;

в) конечная температура 180 0С;

г) давлене 19,7 атм;

 

1. Определим расход  теплоты и расход воды. Примем  индекс «1» для горячего теплоносителя (этилен+ кислород), индекс «2» - для холодного теплоносителя (вода).

Предварительно найдем среднюю температуру воды:

 

t₂ = 0,5 (170 + 25) = 97,5 ⁰С

 

среднюю температуру смеси этилен+кислород:

 

t₁+∆t_ср= 113,63 + 97,5 = 211,13 ⁰С

 

где   ∆t_ср - средняя разность температур, равная при потоке теплоносителей 113,63 0 С.

                                             

+250 180 ⁰С;

+170      25 ⁰С;

 

= 113,63 ⁰С

 

Без учета потерь тепла  расход теплоты:

 Вт

расход воды аналогично (3.3) выразив через расход:

 кг/с;

где с₁=43,63*10³ Дж/(кг*К) и с₂ =4190 Дж/(кг*К) - удельные теплоемкости смеси и воды при их средних температурах t₁=211,13 ⁰С и t₂=97,5 ⁰С [12].

Объемные расходы смеси  и воды:

 м3/с

где кг/м³ и - кг/м³- плотность смеси берем как для чистого этилена, так как содержание кислорода не велико и изменение плотности очень не значительное и воды [12].

Наметим варианты теплообменных  аппаратов.

Для этого определим  ориентировочно значение площади поверхности  теплообмена, полагая К_ор = 340 Вт/(м²*К) по [12], т. е. Приняв его таким же, как и при теплообмене от жидкости к жидкости для воды:

50 м²;

Из величины Fор = 50 м² следует, что проектируемый теплообменник из углеродистой стали (см. таблицу 40.3).

Объемная производительность V_час (по реакционной смеси при давлении 15 000 н/см² и конверсии 30%) будет равна:

V_час= 200*1,26

/ч,

где 200- объемная производительность по этилену при нормальных условиях, нм³/ч;

      1,26- плотность  этилена при нормальных условиях, кг/м³;

      467 и  700- плотности этилена при рабочих  условиях, кг/м³;

      0,7 и  0,3- весовые доли этилена и полиэтилена

 

При среднем диаметре трубы 16 мм площадь  ее сечения:

Скорость потока:

Средняя вязкость смеси:

Средняя плотность смеси:

Тогда среднее значение будет равно:

Таким образом, режим  потока в среднем течении трубчатки  оказывается турбулентным.

Смесь этилен+ кислород направим в межтрубное пространство, воду - в трубное пространство.

Диаметр внутренней трубы определяется по формуле:

 

где w — скорость теплоносителя в трубе, м/с.

 

Уточняем скорость движения теплоносителя:

Внутренний диаметр  наружной трубы определяют по формуле:

где w — скорость движения теплоносителя в кольцевом пространстве, м/с; S_MTP = G₂/(p₂W₂)—площадь сечения кольцевого пространства, м².

 

Уточняем скорость движения теплоносителя в межтрубном пространстве:

Сечения труб должны при необходимости  соответствовать турбулентному  режиму движения жидкостей (Re > 10 000).

Если при расчетах Re < 10000, определяют новые скорости движения теплоносителей, при которых режим их движения будет турбулентным. Принимают значение критерия Рейнольдса равным 10 000—15 000. Тогда:

Подставляя значение скорости w_турб в формулу, определяют диаметр внутренней (теплообменной) трубы и, далее по формуле диаметр наружной (кожуховой) трубы.

≈0,108 м

 

D=0,6≈0,159м

Общая длина трубы, считая по наружному диаметру теплообменных труб:

L=50/(3,14*0,108)=8,9≈9 м

 

Принимая длину теплообменной  поверхности равной длине кожуховой  трубы, определим число элементов  теплообменника:

n= 9/0,6=16

 

Таблица 4

Теплообменники ТТ из углеродистой стали (основные технические данные)

 

 

 

          3 Механические расчеты

 

3.1 Расчет толщины кожуха

 

Главным составным элементом  корпуса большинства химических аппаратов является кожух (обечайка). Наибольшее распространение получили цилиндрические кожухи, которые отличаются простотой изготовления, рациональным расходом материала и достаточной прочностью.

Цилиндрические кожухи из стали при избыточном давлении среды в аппарате р следует  рассчитывать по формуле:

δ = D ∙ p / (2 ∙ σ_д ∙ φ) + С_к + С_окр ,

где D – внутренний диаметр кожуха, м;

σ_д – допускаемое напряжение на растяжение для материала кожуха, МН/м² (σ_д = 140 МН/м²).

 

Коэффициент φ учитывает ослабление кожуха из-за сварного шва и наличия неукрепленных отверстий, φ = φ_ш = 0,95.

Прибавка толщины с  учетом коррозии С_к определяется формулой: С_к = П∙τ_а ,

П = 0,1 мм/год; τ_а = 10 лет, а суммарное значение толщины округляется до ближайшего нормализованного значения добавлением С_окр.

C_к = П ^. τ_а = 0,1 ^. 10 = 0,001 м.

Границей применимости формулы для расчета кожуха является условие:

(δ - С_к) / D ≤ 0,1.

Толщина кожуха с учетом запаса на коррозию и округления равна:

δ = 0,8 ∙ 0,392 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001 = 0,0022 м = 2,2 мм.

Условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,1 выполняется.

На основании данных практического использования трубчатых теплообменных аппаратов принимаем толщину стенки кожуха равной 4мм.=0,004м.

Допускаемое избыточное давление в обечайке можно определить из формулы:

р_д = 2 ∙ σ_д ∙ φ ∙ (δ - С_к ) / (D + (δ - С_к )) =

= 2 ∙ 140 ∙  0,95 ∙ (0,0022 - 0,001) / (0,8 + (0,0022 - 0,001))= 0,39 МПа.

 

3.2 Расчет толщины днища

 

Составным элементами корпусов химических аппаратов являются днища, которые обычно изготавливаются  из того же материала, что и кожуха, и привариваются к ней. Днище  неразъемно ограничивает корпус горизонтального  аппарата с боков. Форма днища  может быть эллиптической, сферической, конической и плоской. Наиболее рациональной формой днищ для цилиндрических аппаратов является эллиптическая. Днища такой формы изготавливаются из листового проката штамповкой и могут использоваться в аппаратах с избыточным давлением до 10 МПа. Толщину стандартных эллиптических днищ, работающих под внутренним избыточным давлением р, рассчитывают по формуле, которая справедлива при условии: (δ - Ск) / D ≤ 0,125.

Примем, что днище у  аппарата стандартное отбортованное  эллиптическое сварное и в нем нет неукрепленных отверстий.

Примем φ = φш = 0,95.

Толщина днища:

δ = D ∙ p / (2 ∙ σд ∙ φ) + Ск + Сокр = 0,8∙ 0,3924 / (2 ∙ 140 ∙ 0,95) + 0,001= 0,0022 м = 2,2 мм

Требуемое условие (0,0022 - 0,001) / 1 < 0,125 выполняется. Исходя из условия, по которому толщина стенки полусферического днища должна быть не меньше толщины стенки кожуха принимаем толщину стенки днища равной 5мм=0,005м.

 

3.3 Расчет фланцевых соединений

 

Подсоединение трубопроводов  к сосудам и аппаратам осуществляется с помощью вводных труб или штуцеров. Штуцерные соединения могут быть разъемными и неразъемными. Наиболее употребительны разъемные соединения с помощью фланцевых штуцеров. Стальные фланцевые штуцера представляют собой короткие куски труб с приваренными к ним фланцами либо с фланцами, удерживающимися на отбортовке, либо с фланцами, откованными заодно со штуцером. В зависимости от толщины стенок патрубки штуцеров могут быть тонко- или толстостенными. Штуцера не рассчитывают на прочность, а выбирают. Типы штуцеров определены действующими стандартами, сводную таблицу которых можно найти в справочнике.

По назначению все  фланцевые соединения в химическом аппаратостроении подразделяются на фланцы для трубной арматуры и труб и  фланцы для аппаратов. Фланцевое  соединение состоит из двух симметрично расположенных фланцев, уплотнительного устройства и крепежных элементов.

Конструкцию фланцевого соединения принимают в зависимости  от рабочих параметров аппарата: при р ≤ 2,5 МПа и t ≤ 300˚С применяют плоские приварные фланцы (рис. 8).

Рисунок 8- Конструкция плоского приварного фланцевого соединения

 

Во фланцевых соединениях  при р ≤ 2,5 МПа и t ≤ 300˚С применяют болты.

Опоры служат для установки  аппаратов на фундамент. Опора имеет  обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.

При установке аппарата внутри помещения на полу применяются  отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости  от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.

 

3.4 Выбор конструкции опор аппарата

 

Опоры служат для установки  аппаратов на фундамент. Опора имеет  обечайку цилиндрической или конической формы и фундаментное кольцо из полосовой  стали, приваренное к кожуху. Опору приваривают к корпусу аппарата сплошным швом.

При установке аппарата внутри помещения на полу применяются  отдельные опорные лапы обычно 4. Выбирают лапы по нормали в зависимости  от нагрузки. Подвесные опорные лапы рекомендуется располагать выше центра масс аппарата.

Выбор типа опоры аппарата зависит от ряда условий: места установки  аппарата, соотношения высоты и диаметра аппарата, его массы и т.д. При  установке колонных аппаратов на открытой площадке, когда отношение  высоты опоры к диаметру аппарата меньше или равно 5, то рекомендуют использовать опоры в виде ножек. Для горизонтальных аппаратов, устанавливаемых в помещениях, рекомендуют применять седловые опоры. Руководствуясь этими рекомендациями, мы выбираем седловые опоры.

 

3.5 Расчет трубных решеток

 

Одним из основных элементов трубчатых теплообменников являются трубные решетки. Они представляют собой перегородки, в которых закрепляются трубы и которыми трубное пространство отделяется от межтрубного.

Для большинства типов  неподвижно закрепленных решеток их высоту рассчитывают по формуле:

h = K ∙ D √ p / φ₀σ_и.д + С_к + С_окр,