Расчет контактного аппарата для процесса парофазного окисления бутилена в малеиновый ангидрид

 

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ  И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«Омский государственный  университет им. Ф.М. Достоевского»

Химический факультет

                                      Кафедра химической технологии

 

 

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

 

к курсовому проекту 

по дисциплине «Процессы  и аппараты химической технологии»

 

на тему:

«Расчет контактного аппарата для процесса парофазного окисления бутилена в малеиновый ангидрид»

 

 

 

Студент гр. ХТС-901-О    _______________ Н.В. Лемешко

Руководитель

Ст. преподаватель     _______________ Л.В. Бельская

 

Допускается к  защите:

Зав. кафедрой, д.х.н., проф., чл.-корр. РАН _______________ В.А. Лихолобов

 

«__» __________________ 2013

 

 

 

 

Омск - 2013

 

 

Введение

    В настоящее время малеиновый ангидрид (МА) является многофункциональным базовым химикатом, который применяется практически во всех отраслях промышленной химии. В частности,  около 57% объема мирового производства МА применяется для получения ненасыщенных полиэфирных смол. Его используют также для синтеза фумаровой и яблочной кислот, янтарной кислоты,  тетрагидрофталевого ангидрида, заменителя сахара – аспартама, регуляторов роста растений, дефолиантов, фунгицидов, инсектицидов, как модификатор алкидных смол. МА также применяется в производстве виниловых сополимеров, которые находят применение в таких областях, как производство технических термопластов, эмульсификаторов, защитных коллоидов, диспергаторов, стабилизаторов, клеев, моющих и косметических средств, шлихтующих агентов. Малеиновый ангидрид используется как сырьевой компонент в производстве отвердителей эпоксидных смол, ингибиторов накипи, пищевых добавок (подкислителей, в частности, винной кислоты), пластификаторов, адгезивов, активных ингредиентов лекарственных средств. Кроме того, МА применяют в качестве добавки к смазочным маслам. Добавление МА в лакокрасочные материалы сокращает время их высыхания и улучшает качество покрытий.

 Следовательно, объем  мирового производства очень  высокий около 500 тыс. т/год.  Способы получения малеинового ангидрида так же разнообразны. Самым распространенным является окисление бензола. Но на сегодняшний день, когда цены на сырье значительно выросли, а так же из экологических соображений, сравнительно низкого выхода продукта и высокого теплового эффекта реакции порядка 5425 кДж/моль, предпочтительней использовать в качестве исходного сырья бутан-бутиленовую смесь (непредельные углеводороды С₄). Данный способ значительно снижает расходы на производство, уменьшает тепловой эффект реакции до 2600 кДж/моль и увеличивает выход продукта.

Целью проекта является определение основных параметров процесса парофазного окисления бутилена в малеиновый ангидрид и размеров контактного аппарата и абсорбера.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

• Определить материальный и тепловой балансы процесса;
• Рассчитать размеры аппарата;

 

 

 

Литературный обзор

Расчет насадочных абсорберов

Целью расчета является определение  диаметра и высоты колонны, гидравлического  сопротивления насадки. Гидродинамический  расчет выполняется на основе результатов технологического расчета.

Диаметр колонны определяется методом  приближения: предварительный расчет - исходя из вида процесса и геометрического фактора насадки; окончательный - с учетом типа и материала насадки.

Предварительный расчетный диаметр  колонны D определяется допустимой скоростью сплошной фазы wд (газа, пара или жидкости), рассчитанной на полное сечение колонны:

D = (V₀ /0,785 w_д)^0,5, (1)

где V₀ — расход сплошной фазы (газа), м³ /с.

Допустимая скорость газа w_д в свою очередь, является функцией скорости захлебывания wз:

              w_д=0,8w_з                                                                                              (2)

 

Скорость газа (пара) в  сечении колонны, соответствующая  захлебыва-

нию колонны, с учетом вида процесса и геометрического фактора насадки

определяется по уравнению

 

                                                                                                                        

 

(3)

Для процессов абсорбции и десорбции b = 0,022; с = 1,62; для процесса ректификации b = - 0,125; с = 1,75. Значения коэффициентов b и с для некоторых видов насадок приведены в приложении 1.

 

Скорость захлебывания для насадки  из седел Инталлокс можно рассчитать также по уравнению:

                                       (4)

                                                   (5)

В этом уравнении поправка на вязкость учитывается при µ_х>1 мПа·с

Значение коэффициентов К₁ и К₂ приведены в приложении 2.

 

Скорость захлебывания для седловидной насадки размером 0,05 м (система газ - жидкость) можно рассчитать по уравнению (3.60) при значении коэффициентов b = - 0,099, с = 1,505; рабочая скорость w_д = 0,7 w_з.

 

 

Скорость захлебывания для колец  Палля

 (5)

 

 

 

(6)                                                 

где А₀ и А₁ - коэффициенты, определяемые по рис. 1 и 2

 

 

Характеристики основных типов  насадок приведены в приложении 3.

 

 

С учетом коэффициента возможного увеличения производительности К₇, предварительный расчетный диаметр колонны составит

    D = V₀К₇ /(0,785w_д)                                                                                      (7)

 

  (8)

 

Значения коэффициентов К₁ и К₂ принимают по приложению 2 Величина А =f(µ_x) - (см. уравнение (3.62)). Предварительная объемная скорость жидкости

                       (9)

где f_пр = 0,785D_пр²

По большему расчетному значению D_р для нижней и верхней частей колонны принимают к проектированию диаметр колонны D_к из стандартного ряда диаметров.

Если D_р > 2,8 м, расчет прекращают, поскольку стандартной насадоч- ной колонны такого диаметра нет.

Для колонны, принятой к проектированию:

• свободное сечение колонны f_k= 0,785 D_к² ;
• объемная скорость жидкости L_V =L/ f_{k к};
• скорость газа в колонне w= V/ f_k;
• фактор нагрузки по газу F= w (р_у)^0,5

Высоту слоя насадки определяют по уравнению

Н = N _mh_экв (10)

где N_Т - число теоретических тарелок; h_экв - высота насадки, эквивалентная одной теоретической тарелке.

Высоту насадки из колец Рашига, эквивалентную одной теоретической тарелке, можно рассчитать по уравнению:

                                        (11)

где d_экв = 4Ɛ/а - эквивалентный диаметр насадки; т - тангенс угла наклона участка линии равновесия.

 

Для нерегулярной насадки h_экв ориентировочно можно рассчитать по уравнению:

 

              (12)

Коэффициенты К₅ и К₆ подбирают по приложению 2.

Величину f (d/D_k) приближенно определяют по рис.3 или рассчитывают по уравнению

(13)

Если  (d/D_k) ≤ 0,043, принимают f (d/D_k) = 1.

Рис. 3. Зависимость функции f (d/D_k) от отношения (d/D_k)

Гидравлическое сопротивление  насадки для систем газ - жидкость и пар - жидкость в точке инверсии можно рассчитать по уравнению

(14)

Где -сопротивление насадки при наличии орошения в точке инверсии для такой же скорости газа, как и при сухой насадке ( на 1 м ее высоты); L/G – отношение массовых расходов жидкости и газа (пара); - сопротивление сухой насадки ( на 1м ее высоты).

Значения А, т, п и с приведены в табл. 1

Гидравлическое сопротивление  слоя сухой насадки

(15)

эквивалентный диаметр

(16)

рабочая (действительная) скорость

  (17)

где Н - высота слоя насадки, м; ƛ - коэффициент сопротивления насадки; w_ф - фиктивная скорость газа, отнесенная к полному сечению незаполнен-

ного скруббера, м/с; а - удельная поверхность насадки, м² /м³ ; Ɛ - свободный объем насадки, м³/м³; Rг - гидравлический радиус насадки, м.

Таблица 1

Значения коэффициентов в уравнении (14)

Коэффициент сопротивления насадки X является функцией критерия Ке_у для газового (парового) потока:

(18)

и λ можно определить по следующим уравнениям:

(19)

(20)

(21)

Гидравлическое сопротивление в режиме эмульгирования выше точки инверсии

(22)

(23)

где р_Э - плотность газожидкостной или парожидкостной эмульсии.

Высота переливной трубы в насадочной колонне, обеспечивающая работу в режиме эмульгирования, будет равняться

(24)

где Н - общая высота жидкости в колонне.

Сопротивление орошаемой нерегулярной насадки общего назначения на 1 м  высоты слоя можно рассчитать по уравнению

              (25)

Коэффициенты К₃ и К₄ подбирают по приложению 2.

Общее гидравлическое сопротивление  слоя насадки вычисляют по формуле

(26)

давление в нижней части колонны.

(27)

где Р_в - давление в верхней части колонны.

 

 

 

 

 

Трубчатые реакторы

Трубчатые реакторы применяют  главным образом для проведения химических процессов при высоких давлениях. Эти реакторы работают в режиме идеального вытеснения и конструктивно довольно просты (рис.4).

В трубчатом  реакторе отвод тепла осуществляется путем теплообмена реагирующей смеси с теплоносителем через стенку реактора. Катализатор загружается в трубки небольшого диаметра (28 см), в межтрубном пространстве циркулирует теплоноситель - водяной пар под давлением или расплав солей. Сложность конструкции повышает стоимость таких аппаратов. Однако большим преимуществом трубчатых реакторов являются хорошие условия отвода тепла от катализатора, так как отношение поверхности теплоотдачи к объёму катализатора значительно выше по сравнению с многослойными аппаратами.

В аппаратах  этого типа поверхности охлаждения расположены параллельно движению реагентов и таким образом  отвод или подвод тепла осуществляется по мере его выделения или поглощения. (рис. 5).

Конструктивно реакторы могут  быть выполнены в виде трубчатого аппарата с охлаждающей рубашкой около каждой трубки. Могут быть трубчатые реакторы с общей охлаждающей  рубашкой (реактор кожухотрубного типа с размещением катализатора в трубках или межтрубном пространстве). Как правило, длина труб у таких реакторов весьма велика, что обусловливает повышенное гидравлическое сопротивление. Поэтому конструкторы при расчете находят оптимальный размер трубы, чтобы обеспечить нужный режим движения при минимальном гидравлическом сопротивлении. В реакторах, используемых для быстрых или мгновенных реакций, длина труб незначительна.

 Могут  быть аппараты с двойными трубками, когда слой катализатора имеет  кольцевое сечение. Такой аппарат  находит применение в полимеризации  пропан-пропиленовой фракции. Аппарат  состоит из отдельных секций. Их может быть до 12. Процесс  происходит при 260⁰С, давлении 7 МПа. Внутренний диаметр трубы составляет 150 мм. Высота отдельного элемента 14 м. Достоинством такого аппарата является возможность применения хладагента, высокого давления (кипящая вода под давлением). Недостатком является его малая производительность, большая занимаемая площадь, неудобство выгрузки катализатора.

 

(рис.4)

 

 Принципиальное устройство  трубчатого реактора: 1 - труба; 2 - рубашка; 3 – калач

 

Схема реактора типа “Труба в трубе”

 

(рис.5)

1 - корпус; 2 - рубашка.

 

 

 

 

 

 

 

Основные расчетные соотношения

 

В трубчатом реакторе как  в аппарате идеального вытеснения в стационарном режиме устанавливается определенное распределение параметров реакционной среды по длине трубы. При этом принимают постоянными концентрации и температуры по ее поперечному сечению. Таким образом, бесконечно тонкий слой поперечного сечения реакционной среды, который перемещается вдоль трубы в виде поршня, можно рассматривать как микрореактор идеального смешения периодического действия, причем длительность реакций равна времени прохождения рассматриваемого сечения всей длины реактора.