Производство МАУК мощностью 2000 т/г. Модернизация стадии конденсации

Рисунок  3.1 – Схематичное изображение конденсатора.

Рассчитаем  объем эллиптической крышки и  днища по формуле:

(3.4)

 

0,6571 м³.

 

0,6571 м³;

0,6571 м³.

Рассчитаем  объем и высоту цилиндрической части:

(3.5)

 

4,9858 м³.

(3.6)

 

1,96 м.

Общая высота аппарата:

(3.7)

 

2,86 м.

3.2.3 Расчет  перемешивающего устройства

 А. Подбор  типа перемешивающего устройства  и определение его основных  размеров

А. Мощность, затрачиваемая на перемешивание  ленточной мешалкой, определяется требуемой степенью однородности среды и конструктивных особенностей устройства.

Рис. 1.9. Ленточная  мешалка:

1,2 – плоские ленты; 3 – вал; 4 – втулка; 5 – траверса

а – для вала диаметром < 90 мм; б – для вала диаметром > 90 мм

t – шаг  витка,м -2,06м;

d_м – диаметр мешалки,м -1,5м;

b_л – ширина витка,м -0,15м;

D – диаметр  аппарата, м -1,8м.

1  Для начала расчета необходимо знать кратность циркуляции К_ц в аппарате, которая равна К = С / С_ср = 4; К_ц=2.

2  Геометрические соотношения перемешивающего устройства учитываются коэффициентом К₁

 

,      (3.8)

,

где t – шаг  витка, м; d_м – диаметр мешалки, м; b_л – ширина витка, м.

3 Отношение  зазоров между стенкой аппарата  и вращающимися элементами перемешивающего  устройства

 

,      (3.9)

 

где D – диаметр  аппарата, м.

4 Влияние  зазоров между стенкой аппарата  и вращающимися элементами перемешивающего устройства учитывается коэффициентом К_2, (К₂ = 21)

5 Центральная  зона циркуляции среды имеет  следующий относительный диаметр

 

,                         (3.10)

 

6 Относительный  диаметр вала

,       (3.11)

 

7 Распределение  осевого потока жидкости по  зонам циркуляции (центральной и  периодической) определяется следующим  коэффициентом

 

  (3.12)

 

8 Коэффициент  А_ц, учитывающий геометрические размеры перемешивающего устройства и характер движения (циркуляции) рабочей среды, можно определить следующим образом

                   (3.13)

 

9 Циркуляция  перемешиваемой среды осуществляется  с объемным расходом

,                           (3.14)

 

где z_л – число лопастей (заходов винтовой линии); H – высота уровня жидкости, м; H₁ – высота мешалки, м

.                               (3.15)

 

10 Для обеспечения  необходимой степени перемешивания  время процесса

.                               (3.16)

 

11 В итоге,  мощность перемешивания для ленточной  мешалки будет составлять

.                            (3.17)

 

Б. Расчет мощности, потребляемой перемешивающим устройством

1. Определим  величину центробежного критерия  Рейнольдса:

,                     (3.18)

где ρ –  плотность перемешиваемой среды, ρ = 1911 кг/м³;

µ – динамический коэффициент вязкости перемешиваемой среды,

µ  = 63,2 ∙ 10^-3 Па∙с.

,                               (3.19)

20347.

2. Найдем критерий  мощности перемешивания для ленточной  мешалки в гладкостенном аппарате:

К_N = 14,5 ∙ Re_ц ^-0,27,                  (3.20)

К_N = 14,5 ∙ 20347 ^-0,27

К_N = 0,996.

3. Мощность, расходуемую  ленточной мешалкой, определим по формуле:

    (3.21)

 

N = 1511,17 Вт = 1,511 кВт.

Общая мощность  ленточной мешалки:

      (3.22)

 

3,63 кВт.

Номинальная мощность на валу электродвигателя :

,                       (3.23)

где - мощность, затрачиваемая на трение в уплотнении,

= 0,12 ∙,                                (3.24)

= 0,12 ∙3,63 = 0,44 кВт;

- КПД привода, зависящий от  его конструкции, = 0,98.

,

3,15 кВт.

Выбираем  мотор-редуктор типа МР1-315-23-125 с частотой вращения выходного вала 125 об/мин (масса без эл. двиг. 125 кг). Комплектующий электродвигатель имеет следующие характеристики:

- тип В160М6;

- частота  вращения 1000 об/мин;

- мощность 5,5 кВт.

В. Расчет вала перемешивающего устройства

Расчетный крутящий момент [35]:

,                                                                                     (3.25)

,

224,7 Н∙м.

Диаметр вала определим по уравнению:

,                                                                             (3.26)

где  – допускаемое напряжение на кручение для выбранного

материала вала, Па.

.                                                                 (3.27)

По [37, табл. 12.6 стр. 400] находим допускаемое напряжение для титана марки ВТ1-0 100,5 МПа (при t = 50 ˚С), тогда:

100,5 = 40,2 МПа.

,

0,03 м.

По [37, стр. 772, табл. 24.32] принимаем диаметр вала  50 мм.

Г. Подбор уплотнительного  устройства вала мешалки

Для создания герметичности между неподвижным  корпусом аппарата и вращающимся валом необходимо установить уплотнение. В зависимости от физико-химических характеристик и параметров рабочих сред, а также требований производственной санитарии, техники безопасности и пожароопасности аппараты для перемешивания жидких сред комплектуются сальниковыми, торцовыми уплотнениями, гидрозатворами или имеют герметичный привод. Процесс конденсации метаксилидида ацетоуксусной кислоты сопровождается выделением паров дикетена и уксусной кислоты, давление не более 0,3 МПа, температура реакционной массы не превышает 50 ºС. Среда в аппарате агрессивная и токсичная. Выбираем в качестве уплотнительного устройства торцовое уплотнение типа ТДПФ80-6 (масса не более 100 кг) [37, стр. 778, табл. 25.1; стр. 794]. Для уменьшения биения вала в уплотнительном устройстве предусмотрен подшипник, который служит промежуточной опорой и воспринимает радиальную нагрузку.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.3 Механический  расчет

3.3.1 Механические  характеристики аппарата

Основные  размеры [34]:

D_ап. = 1800 мм — внутренний диаметр обечайки корпуса;

R = D_ап. = 1800 мм − радиус кривизны в вершине днища корпуса;

Н = 450 мм – высота выпуклой части днища;

D₁ = 2000 мм − внутренний диаметр обечайки рубашки;

R₁ = D₁ = 2000 мм − радиус кривизны в вершине днища рубашки;

1800 мм – длина обечайки корпуса  аппарата.

Температура среды в аппарате в ходе технологического процесса изменяется от 18 ºС до 60 ºС. В  рубашку подается греющий пар:

t = до 60 °С − рабочая температура в корпусе;

t₁ = 158 °С − рабочая температура в рубашке.

За расчетную  температуру принимаем наибольшую температуру стенки [38]:

150 ºС.

Давление  в аппарате:

Р = 3 атм = 0,3 МПа − рабочее внутреннее давление в корпусе;

P₁ = 0,3 МПа − рабочее внутреннее давление в рубашке.

Гидростатическое  давление в реакторе определим по уравнению:

, (3.24)

где р− плотность суспензии МАУК, р= 1098 кг/м³;

− ускорение свободного падения, = 9,81 м²/с;

− максимальная высота столба жидкости в реакторе, = 1,91 м.

,

0,0206 МПа.

Внутреннее  давление в аппарате определим как  сумму рабочего и гидростатического давлений:

, (3.25)

,

0,3206 МПа.

За расчетное  давление в аппарате принимаем избыточное внутреннее давление [39]: 0,3206 МПа ();

расчетное внутреннее давление в рубашке:

 0,3 МПа.

Конструкционный материал корпуса аппарата – титан  ВТ1-0, материал обечайки и днища рубашки сталь 09Г2С-6 [38].

Допускаемое напряжение материала при расчетной  температуре 150 ºС [34]:

корпус – 100,5 МПа;

обечайка–  171 МПа.

Модуль продольной упругости материала титана ВТ1-0 – 1,06 ∙ 10⁵ МПа, стали 09Г2С-6 – 1,86 ∙ 10⁵ МПа при расчетной температуре 150 ºС [38].

По [29, стр. 90, табл. 29.11] для выбранного исполнения аппарата толщина стенки обечайки корпуса  составляет 14 мм, днища корпуса14 мм, толщина стенки обечайки рубашки 8 мм, толщина стенки днища рубашки 12 мм.

Вид сварного шва – стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической или полуавтоматической сваркой. Длина контролируемых швов от общей длины составляет 100 %. Коэффициент прочности сварных швов корпуса φ = 0,95 [40].

Прибавка  к расчетным толщинам конструктивных элементов определяется по формуле:

,  (3.26)

где  – прибавка для компенсации коррозии элементов аппарата, м;

– прибавка для компенсации минусового допуска, м;

– прибавка для компенсации утонения стенки в процессе изготовления аппаратуры, м.

Для обечайки корпуса аппарата:

= 2 мм/10 лет;

= 0,1 мм;

= 0 мм;

, (3.27)

2 + 0,1 + 0 = 2,1 мм.

Для днища  корпуса аппарата:

= 2 мм/10 лет;

= 0,1 мм;

= 1,25 мм;

, (3.28)

2 + 0,1 + 1,25 = 3,35 мм.

Для обечайки рубашки аппарата:

= 1 мм/10 лет;

= 0,1 мм;

= 0 мм;

, (3.29)

1 + 0,1 + 0 = 1,1 мм.

Для днища  рубашки аппарата:

= 1 мм/10 лет;

= 0,1 мм;

= 1,25 мм;

, (3.30)

1 + 0,1 + 1,25 = 2,85 мм.

Определим напряжения, действующие на материал рассчитываемых элементов, и сравним их с допускаемыми напряжениями.

 

 

 

 

3.3.2 Расчет  толщины стенок элементов аппарата

3.3.2.1 Расчет  толщины стенки цилиндрической  обечайки, нагруженной внешним давлением [39]

Условие применения расчетных формул для обечаек  при D_ап. ≥ 200 мм:

, (3.31)

,

− условие выполнено.

Расчетная толщина  стенки:

(3.32)

где коэффициент  В вычисляем по формуле:

(3.33)

 

 

Принимаем 1,00.

Тогда расчетная  толщина стенки:

 

 

Принимаем 5,77 мм.

Исполнительная  толщина стенки обечайки корпуса  аппарата:

, (3.34)

,

7,87 мм.

Исполнительная  толщина стенки обечайки меньше фактической  толщины стенки выбранного аппарата: 7,87 <14 мм.

Допускаемое наружное  избыточное давление на обечайку при 14 мм:

(3.35)

где допускаемое  давление из условия прочности определим по формуле:

(3.36)

 

1,3 МПа;

допускаемое давление из условия устойчивости в  пределах упругости равно:

(3.37)

где коэффициент  В₁ равен:

(3.38)

 

 

При 1:

 

0,33 МПа.

Тогда допускаемое  наружное давление на обечайку корпуса:

                                (3.39)

 

0,32 МПа.

Условие прочности  выполняется ().

3.3.2.2 Расчет  толщины стенки эллиптического  днища корпуса аппарата, нагруженной  наружным давлением Р_р = 0,3206 МПа

Условие применения расчетных формул для эллиптических  днищ:

                            (3.40)

 

− условие выполнено.

Расчетная толщина  стенки эллиптического днища корпуса:

      (3.41)

где коэффициент К_э определим по графику, приведенному на рисунке 9, в зависимости от отношений:

           К_э = 0,93.

 

 

Рисунок 3.11 –  График для определения коэффициента К_э.

Тогда:

(3.42)

 

Принимаем 8,9 мм.

Исполнительная  толщина стенки днища корпуса:

, (3.43)

,

12,25 мм.

Расчетная толщина  стенки днища меньше фактической  толщины стенки выбранного аппарата (14 мм).

Допускаемое наружное  избыточное давление на днище  корпуса при 14 мм:

(3.44)

где допускаемое  давление из условия прочности определим по формуле:

(3.45)

 

1,2 МПа;

допускаемое давление из условия устойчивости в  пределах упругости равно:

(3.46)

 

0,5 МПа.

Тогда:

(3.47)

 

0,46 МПа.

Условие прочности  выполняется ().

3.3.2.3 Определение  толщины обечайки рубашки, нагруженной  внутренним давлением Р_р1 = 0,3206 МПа

Условие применения расчетных формул для обечаек  при D_ап. ≥ 200 мм:

, (3.48)

,

− условие выполнено.

Расчетная толщина  стенки обечайки:

(3.49)

 

2,9 мм.

Расчетная толщина  стенки обечайки рубашки меньше ее фактической минимальной толщины (8 мм).

Допускаемое внутреннее  давление в обечайке рубашки при 8 мм:

(3.50)

 

1,24 МПа.

Условие прочности  выполняется ().

3.3.2.4 Определение  толщины днища рубашки, нагруженной  внутренним давлением Р_р1 = 0,3206 МПа

Условие применения расчетных формул:

, (3.60)

,

− условие выполнено.

Расчетная толщина  стенки днища:

(3.61)

– коэффициент ослабления днища  отверстием:

(3.62)

где – диаметр наибольшего отверстия в днище рубашки, =0 так как отверстия в днище отсутствуют.

,

.

 

4,54 мм.

Расчетная толщина  стенки обечайки рубашки меньше ее фактической минимальной толщины (12 мм).

Допускаемое внутреннее  давление в днище  рубашки при 12 мм:

               (3.63)

 

1,73 МПа.

Условие прочности  выполняется ().

 

 

 

 

 

 ЗАКЛЮЧЕНИЕ

 

1. В результате  литературно – патентного обзора  выбран способ получения                               мета-ксилидида ацетоуксусной кислоты

2. Предложены  изменения в существующей технологической  схеме производства  м-ксилидида АУК. Описана принципиальная технологическая схема производства   мета-ксилидида ацетоуксусной кислоты, а также произведен подбор основного и вспомогательного оборудования.

3.  На основании  рассчитанного материального баланса  производства и теплового баланса стадии конденсации метаксилидида с дикетеном подобран аппарат для проведения стадии конденсации, снабженный теплообменным устройством в виде рубашки и перемешивающим устройством – ленточной мешалкой.

4. Выполнен технологический и механический расчет аппарата на производительность 2000 т/год, определены его размеры , гарантирующие надежную и безопасную эксплуатацию.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Постоянный технологический регламент  производства метаксилидида ацетоуксусной кислоты. Цех №2.
2. Патент СССР №1414774, С 01 В 21/096 от 1988 г.
3. Лабораторный регламент производства цеха №2.
4. Основы синтеза промежуточных продуктов Н.Н. Ворожцов. Государственное химико-техническое издательство ОНТИ, Москва – Ленинград, 1934.
5. Химия и технология промежуточных продуктов. Учебник для вузов. В.Н. Лисицын. – М.: Химия, 1987. 368 с.
6. www.chempack.ru.
7. Система технического обслуживания и ремонта оборудования предприятий химической промышленности. – М.: Химия, 1986 г. – 352 с.
8. Аппаратура промышленности органических полупродуктов и красителей. Плановский А.Н., Гуревич Д.А. Изд. химической литературы, М., 1961, стр. 504.
9. Краткий справочник физико-химических величин. Изд. 8-е, перераб./ Под ред. А.А. Равделя, А.М. Пономоревой. – Л.: Химия, 1983. – 232 с., ил.
10. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии: Учебное пособие для вузов. Под ред. П.Г. Романкова. – 9-е изд., перераб. и доп. – Л.: Химия, 1981. – 560 с., ил.
11. Краткий химический справочник. Рабинович В. А., Хавин З. Я. Изд. 2-е, испр. и доп. – Изд. «Химия», 1978, стр. 392.
12. Аппараты для перемешивания жидких сред. Васильцов Э.А., Ушаков В.Г. Справ. пособие. Л.: Машиностроение, 1989. 871 с.
13. Патент SU № 1678436, А1. Химический реактор. В.Д. Медведев, М.П. Уманский, В.Н. Поляков, А.И. Магер.
14. Патент SU № 1699589, А1. Реактор с ленточной мешалкой. М.П. Уманский, В.Д. Медведев.
15. ГОСТ 14637-89 Стали высоколегированные и сплавы коррозионно-стойкие. Марки.
16. ГОСТ 380-05.
17. А.С. Тимонин Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.1. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 971 с.
18. А.С. Тимонин Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.2. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 1028 с.
19. А.С. Тимонин Основы конструирования и расчета химико-технологического и природоохранного оборудования: Справочник. Т.3. – Калуга: Издательство Н. Бочкаревой, 2002. – 965 с.
20. Оборудование химических производств. Леонтьева А.И. – М.: КолосС, 2008. – 479 с.: ил. – (Учебники и учебные пособия для студентов высших учебных заведений).
21. ГОСТ 13372-78 Ряд номинальных объемов корпусов сосудов и аппаратов.
22. Расчет и конструирование машин и аппаратов химической промышленности. Программа, методические разработки и контрольные задания для студентов. Составитель В.Б. Коптева. 1974.
23. Химические реакторы. Учебное пособие по курсу «Машины и аппараты химических производств». В.Н. Соколов, М.Д. Бушков. 1971.
24. ГОСТ Р 52857.1-2007 – ГОСТ Р 52857.12-2007 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
25. ГОСТ 14249-89 Сосуды и аппараты. Нормы и методы расчета на прочность.
26. ГОСТ 5032-72 Сталь коррозионно-стойкая, жаростойкая и жаропрочная. Технические условия.
27. ГОСТ 19807-91 Титановые стпавы. Технические условия.
28. ГОСТ 20680-75 Аппараты с механическими перемешивающими устройствами вертикальные. Общие технические требования.
29. Физико-химические свойства бинарных и многокомпонентных растворов неорганических веществ. Зайцев, Асеев. Справ, изд. — М.: Химия, 1988. с. 416.