
книги из ГПНТБ / Караваев М.М. Промышленный синтез метанола
.pdfПо рис. 39 находим массовую скорость:
10е |
= 88500 кг/(см3- ч) |
||
g |
|||
Объем катализатора на I полке равен: |
|
||
56000 |
„„ „ |
||
88 500 |
— °>63 м |
||
Высота I полки составляет: |
|
|
|
0,63 |
4- 0 ,3 5 = |
1,12 м |
|
0 32 |
|||
т. е. расхождение с принятой высотой (/іг = |
1,15 м) минимальное, следователь |
||
но, высотой задались верно. |
|
|
|
Объем и высота катализатора на II полке. Принимаем температуру после
смешения газов 340 °С.
Количество холодного газа, подаваемого на II полку, составит:
|
370 — 340 |
|
5500 кг/ч |
|||
56 000 • 3^'q + |
3g' = |
|||||
Общее количество газа, поступающего на II полку, равно: |
||||||
56 000 + 5500 = |
61 500 кг/ч |
|||||
Количество метанола, образовавшегося на I полке, равно: |
||||||
3,7 |
|
|
|
2062 кг/ч |
||
-JQQ- • 56 000 = |
||||||
Содержание метанола в газе после смешения: |
||||||
|
2062 |
100 = |
3,36% |
|||
|
61 500 |
|||||
Текущая массовая скорость равна (см. рис. 39): |
||||||
10° |
= |
95 500 кг/(м*-ч) |
||||
10 4 |
||||||
Текущий объем катализатора до |
II |
полки составит: |
||||
|
61500 |
|
„ |
„ |
||
|
96 500 ~ °.64 |
м |
||||
Принимаем температуру газа на выходе из |
II полки 365 °С. Тогда повышение |
|||||
температуры за счет реакции составит: |
|
|
||||
|
365 — 340 = |
25 °С |
||||
Принимаем высоту II полки Л, = |
1,2 |
м. |
Потери тепла по высоте II полки |
|||
будут равны: |
|
|
|
|
|
|
1Ч. |
1,2-55 100 |
|
|
|||
|
------------- 9 91 °Г |
|||||
0 |
7,33-61 |
500 |
------ь |
Повышение температуры по высоте слоя катализатора: 25 + 2,21 = 2 7 ,2 1 °С
При повышении температуры на 27,23 °С концентрация метанола составит:
27,21
10,13 = 2,7%
9—2402 |
129 |
Содержание метанола в газе после II полки:
3,36 + 2,7 = 6,06%
Массовая скорость газа (см. рис. 39):
10е
-gg-jj-= 45 500 кг/(м3-ч)
Объем катализатора на II полке: |
|
61 500 |
|
45 500 |
— °>64 — °>71 |
Высота полки:
0,71
Л, = Q gg" +- 0,35 = 1,22 и
Следовательно, высотой задались верно.
Объем и высота катализатора на III полке. Принимаем температуру газа
после смешения (на входе в III полку) 340 °С. Количество холодного газа:
365 — 340
61 500- 3^Q_gg = 5050 кг/ч
Количество газа, подаваемого на III полку:
61 500 + |
5050 = |
|
66 550 кг/ч |
Количество метанола, образовавшегося на I и II полках: |
|||
6,08 |
• 61 500 = |
3730 кг/ч |
|
100 |
|||
Содержание метанола в газе после смешения: |
|||
3730 |
|
5,63% |
|
66 550 -100 = |
|||
Текущая массовая скорость равна (см. рис. 39): |
|||
106 |
= 51 900 кг/(см3-ч) |
||
lg з |
|||
Текущий объем катализатора до III полки: |
|||
66 550 |
, |
, |
|
51 900 ~ |
1,28 м |
Принимаем температуру газа на выходе из III полки 355 ?С. Повышениетемпературы за счет реакции составляет:
355 — 3 4 0 = 15 °С
Задаемся высотой III полки h3 = 1,4 м. Потери тепла по высоте III полки:
1,4-55100 15' 7,33-66550 — 2 -38°с
Повышение температуры на III полке:
15 + 2 ,3 8 = 17,38 °С
При повышении температуры на 17,38 °С образуется метанола:
130
Содержание метанола в газе после III полки:
|
5,63 + |
|
1,72 — 7,35% |
|
Массовая скорость газа (см. рис. 39): |
|
|||
|
10е |
31 250 кг/(м3-ч) |
||
|
-ß2 ~ = |
|||
Объем катализатора на III полке: |
|
|||
|
66 550 |
|
|
|
|
31 250 ~ |
1 >28 = |
°>84 м3 |
|
Высота слоя катализатора на III полке: |
||||
|
0,84 |
|
|
|
|
0,82 • = 1,02 м |
|||
Высота III |
полки: Іі3 — 1,02 + |
0,35 = |
1,37 м |
|
Следовательно, высотой задались верно. |
|
|||
Объем и высота катализатора на |
IV полке. Принимаем температуру смеше |
|||
ния газов 340 °С. |
|
|
|
|
Количество |
холодного газа: |
|
|
|
|
355 — 340 |
|
||
|
66 550- 340- |
2g- = |
3260 кг/ч |
Количество газа, подаваемого на IV полку:
66 550 + 3260 = 69 810 кг/ч
Количество метанола, образовавшегося на I, II н III полках:
7,35
100 -•66 550 = 4940 кг/ч
Содержание метанола в газе после смешения:
4900
69 810 •100 = 7 .°%
Текущая массовая скорость (см. рис. 39):
10е
~2у- = 37 000 кг/(м3• ч)
Текущий объем катализатора до IV полки:
69810 , г ,
37 000— >85 м
Принимаем температуру газа на выходе из IV полки 355 9С. Повышение темпе ратуры за счет реакции составляет 15 °С.
Задаемся высотой IV полки Л4 = 1,9 м. Потери тепла по высоте IV полки:
1,9-55 100 |
|
||
15- 7,33-69810 |
3,0 8 °С |
||
Повышение температуры на IV полке: |
|||
15 + 3 ,0 8 = |
18,08 °С |
||
На IV полке образуется метанола: |
|
|
|
18,06 |
= |
1,79% |
|
10,13 |
|||
|
|
131
Содержание метанола в газе после IV полки: 7,0 + 1,79 = 8,79%
Текущая массовая скорость (см. рис. 39):
10" |
= |
22 700 |
кг/(м3- ч) |
|||||
44 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Объем катализатора на IV полке: |
|
|
|
|
||||
69 810 |
|
|
1 ,8 5 = 1,22 |
м:‘ |
||||
22 700 |
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
|
||
Высота слоя катализатора на IV полке: |
|
|
||||||
1,22 |
= |
1,49 м |
|
|||||
0,82 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
||||
Высота IV полки: |
|
|
|
|
|
|
|
|
/>„ = 1,49 + 0 ,3 5 = |
1,84 м |
|||||||
Следовательно, высотой задались верно. |
|
|
Количество холодного газа состав |
|||||
Объем и высота катализатора на V полке. |
||||||||
ляет: |
|
|
|
|
|
|
|
|
17 900 — (900 + |
5500 + |
5050 + |
3260) = 3190 |
|||||
Температура после смешения газов: |
|
|
|
|
||||
69 810-355 + |
|
3190-35 |
|
„ |
||||
69 810 + |
|
3190 |
|
|
— 342 С |
|||
где количество газа, поступающего на V полку: |
|
|||||||
69 810 + |
3190 = |
|
73 000 |
кг/ч |
||||
Количество метанола, образовавшегося до V полки: |
||||||||
8,79 |
|
|
|
|
6100 кг/ч |
|||
—j-QQ—■- 69 810 = |
|
|||||||
Концентрация метанола в газе после смешения: |
||||||||
6100 |
|
|
|
|
|
|
||
73 000 •100 = |
8,36% |
|||||||
Текущая массовая скорость равна (см. рис. 39): |
||||||||
“4^ 6“ = |
24 100 |
кг/(м3-ч) |
||||||
Текущий объем катализатора до V полки: |
|
|||||||
73 000 |
= 3,01 |
м3 |
|
|||||
24 100 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
132
Температура газа на входе — 342 °С. Принимаем температуру газа на выхо де из V полки 355 °С. Повышение температуры за счет реакции:
355 — 342 = 13 °С
Задаемся высотой V полки /і5 = 1,8 м. Потери тепла по высоте V полки со ставляют:
1,8-55 100 15' 7,33-73000 ~ 2,79 С
Повышение температуры на V полке:
13 + 2 ,7 9 = 15,79 °С
Соответственно этому повышению температуры образуется меганолг:
|
|
15,79 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ж Т 3 - = 1>57о/„ |
|
|
|
||||
Содержание метанола в газе после V |
полки: |
|
|
|
|||||
|
8,36 + |
1,57 = |
9,93% |
|
|
|
|||
Текущая массовая скорость (см. |
|
рис. |
39): |
|
|
|
|||
|
10s |
17 250 |
кг/(м3-ч) |
|
|
|
|||
|
- g g -= |
|
|
|
|||||
Объем катализатора на V полке: |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
73000 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
17 250 ~ |
|
3 '01 — 1’2 м |
|
|
|
|||
Высота слоя катализатора на V полке: |
|
|
|
|
|
||||
|
|
1,2 |
= 1,46 м |
|
|
|
|||
|
|
0,82 |
|
|
|
|
|
|
|
Высота V полки равна: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
/і6= |
1,46 + |
0 ,3 5 = |
1,81 м |
|
|
|
|||
Следовательно, высотой задались верно. |
коробки |
равна: |
|
|
|||||
Таким образом, высота |
катализатор ной |
|
|
||||||
Н = hi + h-2+ h%+ hi + |
/ig |
1,12 + 1,22 + 1,3/ + |
1,84 + |
1,81 = |
7,36 м. |
||||
Это хорошо согласуется |
с конструктивным размером Н = 7,33 |
м, следова |
|||||||
тельно, расчеты проведены верно. |
|
|
|
|
|
|
|
||
Рассчитанный объем катализатора, размещенный на пяти полках составля |
|||||||||
ет: |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Ур = 0,63 + 0,71 + 0 ,8 4 + 1 ,2 2 + 1 ,2 0 = 4 ,6 0 |
м3 |
|
что также согласуется с принятым .объемом катализатора (V = 4,60 м3), значит расчет насадки проведен правильно.
133-
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ ОТДЕЛЕНИЯ РЕКТИФИКАЦИИ
.[расчет произведем на 1 агрегат мощностью 90 тыс. т/год (см. рис. 16, стр. 58)]
Колонна предварительной ректификации
|
И с х о д н ы е д а н н ы е |
|
|
|
|
|
|
В колонну поступает |
|
13266 |
кг/ч |
||
|
метанол обезэфнренный......................... |
|||||
|
конденсат................................................. |
|
1326,6 |
кг/ч |
||
|
В с е г о ............................................................. |
|
|
14592,6 кг/ч |
||
|
Из колонны выходит |
|
544 |
кг/ч |
||
|
предгон |
I ................................................. |
|
|||
|
предгон |
11.................................................. |
|
72,6 кг/ч |
||
|
кубовый остаток ..................................... |
|
13976 |
кг/ч |
||
|
Количество флегмы......................................... |
|
10100 |
кг/ч |
||
|
Давление в колонне ..................................... |
|
Атмосферное |
|||
|
Температура |
в колонне |
|
63 |
°С |
|
|
верх.............................................................. |
|
|
|
||
|
н и з .............................................................. |
впрыскиваемой смеси |
80 |
°С |
|
|
|
Температура |
68 |
°С |
|
||
|
(метанола)...................................................... |
|
|
|||
|
Параметры греющего пара: Р = |
5 кгс/см2, Т = |
158 СС, теплота конденсации |
|||
пара г == 500 ккал/кг. |
|
|
|
|
|
|
ху |
Определение допустимой скорости паров в колонне. Количество паров ввер |
|||||
колонны: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Gn = 10 100 + 544 = 10 644 |
кг/ч |
|
|
|
где |
10 100 — количество |
флегмы, кг/ч; 544 — количество отбора (предгон 1), |
||||
кг/ч. |
|
|
|
|
|
|
|
Секундный объ ем паров, поднимающихся в колонне, определяется по фор |
|||||
муле*: |
|
|
|
|
|
|
|
|
Gn |
10 644 |
|
|
|
|
Ѵ~3 б 00 уп = |
3600-1,4 = 2 ' и ы/ с |
|
|
||
где Gn — количество паров, кг/ч; уп— плотность паров, кг/м3. |
||||||
|
Массовая скорость паров в колонне W кгс/(м2-ч) рассчитывается по урав |
|||||
нению*: |
|
|
|
|
|
|
|
|
И7 = 0,305-С [уп (уж - у п)]<>.3 |
|
|
||
где Уп, 7ж — плотности паров и жидкости, кг/м3; |
С — коэффициент, зависящий |
от расстояния между тарелками и поверхностного натяжения жидкости, он ра вен 294.
W — 0,305-294-[1,4-(792 — 1,4)]°<6 = 2997 кгс/(м2-ч)
Скорость паров в колонне Й7р (м/с) рассчитывается по формуле*:
W 2997
WV= 3600уп~ 3600-1,4 = 0,595 м/с
* А д е л ь с о и С. |
В. Процессы и |
аппараты нефтепереработки и нефтехи |
мии. М. Гостоптехиздат, |
1963. С. 164, 231, |
232. |
134
Принимая допустимую скорость паров в колонне 1КД на 15% меньше рас четной, находим:
Ц7Д = 0 ,85 -0,595= 0,505 м/с
Расчет диаметра колонны. Площадь сечения колонны определяется по фор муле:
■kD- |
2,11 |
|
•S— |
4 — ц/д — |
о,505 — 4,18 |
Откуда |
|
|
° |
— 1\ / 0,785 |
^ 2,31 м |
По нормали НИИХИММАШ (нормаль HI 84—45) к агрегату принимается типовая колонна диаметром D = 2600 мм, число тарелок 65.
С учетом принятого диаметра колонны реальная скорость паров в колонне равна:
W~ |
2,11 |
|
|
|
0,785 |
-2,62 = |
0,39 8 м/с |
||
Загрузка колонны при проектной |
производительности составляет: |
|||
|
0,398 |
• 100 = |
79% |
|
|
0,505 |
|||
Максимальная загрузка |
колонны: |
|
|
|
|
14592,6 |
= |
18 550 кг/ч |
|
|
0,79 |
|||
|
|
|
|
Тепловой баланс колонны предварительной ректификации. Количество теп ла Q (ккал/ч), поступающего в колонну с обезэфиренным метанолом, рассчиты вают по формуле:
Q — GCt
где G — количество метанола, кг/ч; С — теплоемкость раствора метанола, ккал/(кг-град); t — температура метанола, ?С.
Q = 14592,6 • 0,74 • 68 = 734 000 ккал/ч
Количество тепла Qn (ккал/ч), поступающего в испаритель с паром, опреде ляется по уравнению:
Qn = Gnf
где Ga — количество пара, поступающего в испаритель, кг/ч. Количество тепла, отводимого раствором из куба колонны, равно:
13976-0,74-80=828 000 ккал/ч
135
Тепло, отводимое с предгоном I, составляет:
544-0,64-63 = 2 1 900 ккал/ч
а с предгоном II:
72,6-0,64-66 = 3060 ккал/ч
где 0,64 — теплоемкость предгоиа, ккал/(кг-град); 63 п 66 — температура пре;- гонов, °С.
Количество тепла, отдаваемого конденсирующимися парами охлаждающей воде, равно:
10 644-260 = 2 770 000 ккал/ч
где 260 — теплота конденсации пара при атмосферном давлении, ккал/кг. Потери тепла в окружающую среду приняты на уровне 8—10°u от общего ко-
-лячества тепла:
Qn0T = 372 300 ккал/ч
Таким образом, тепловой баланс колонны составит:
73 400 + Сп■500 = 828 000 + 21 900 + 3060 + 2 770 000 4- 372 300
Отсюда количество пара, поступающего в испаритель, равно:
„ |
3261 260 |
, |
Gu = |
---- --------- |
= 6500 кг/ч |
Расчет поверхности испарителя колонны предварительной ректификации
И с х о д н ы е д а н н ы е
Количество водяного пара — 6500 кг/ч (по тепловому балансу колонны). Температура метанола на входе и па выходе из испарителя поддерживается
постоянной — 80 °С.
Р а с ч е т
Количество тепла, поступающего в испаритель с паром:
<2п = Gnr = 6500 - 500 = 3 250 000 ккал/ч
Средняя разность температур на этом участке:
Д<ср= 158 — 80 = 78 °С
Поверхность испарителя (м3) определяется по формуле:
где К — общий коэффициент теплопередачи, принятый по практическим данным
'700 ккал/(м2-ч-град).
F — |
3250 000 |
= 59,8 м3 |
|
700-78 |
|||
|
■136
Принимаем два испарителя, с поверхностью F = 65 м2, т. е. общая поверх ность составит: 2-65 = 130 м2. Диаметр аппарата — 600 мм, диаметр трубок — 25 мм, длина — 3000 мм, их число — 283 шт. Тип теплообменника (испарителя)
ТН-101 — 139—31.
Запас поверхности испарителя составляет:
130 — 59,8
•100= 117%
59,8
Колонна основной ректификации
Расчет колонны основной ректификации проведен аналогично расчету ко лонны предварительной ректификации.
В колонну поступает |
|
|
|
|
|
|
метанол |
..................................... |
, . . |
. |
14714 |
кг/ч |
|
Из ксломны выходит |
|
|
|
|
|
|
предгои ...................................................... |
|
|
|
261,5 |
кг/ч |
|
метанол-ректификат................................. |
|
|
|
11930,0 кг/ч |
||
изобутнроннаяфракция........................... |
|
|
|
40,0 |
кг/ч |
|
изобутиловое масло ................................. |
|
|
|
387,5 |
кг/ч |
|
кубовый остаток..................................... |
|
|
|
2095 |
кг/ч |
|
Количество флегмы......................................... |
|
|
|
25047 |
кг/ч |
|
Давление в к ол он н е..................................... |
|
|
|
Атмосферное |
||
Температура |
в колонне |
|
|
|
|
|
верх.............................................................. |
|
|
|
|
64 °С |
|
н и з .............................................................. |
|
|
|
|
105 °С |
|
Температура смеси, |
поступающей |
в колонну, |
80 °С |
|
||
Параметры греющего пара: Р — 5 кгс/см2; |
Т = |
158 СС; г =. 500 ккал/кг. |
||||
Определение допустимой скорости паров. |
Количество паров вверху колонны |
|||||
равно: |
|
|
|
|
|
|
|
25 Ö47 + 261,5 = 25308,5 |
кг/ч |
|
|
||
Секундный объем паров, поднимающихся в колонне, составляет: |
||||||
|
25308,5 |
„ „ |
,, |
|
|
|
|
3600-1,16 “ 6,06 |
м /с |
|
|
||
где 1,16 кг/м2 — плотность паров. |
|
|
|
|
|
|
Массовая скорость паров в колонне равна: |
|
|
|
|||
W = 0,305-С [Ѵн (Уж — Уп)]»-5 = |
0,305-394(1,16-(791 — |
1,16)J°.5 = |
||||
|
— 3636 |
кг/(м2-ч) |
|
|
|
137
Тогда
w ___ 3636_
l^p — 3600-1,16' : 0,87 м/с
Принимая допустимую скорость паров в колонне на 15% меньше расчетной, получим:
B7f = 0,87-0,85 = 0,738 м/с
Расчет диаметра колонны. Площадь сечения колонны равна:
6,06
0,738 ~ 8,2
Отсюда
8,2
= 3,24 м
0,785
По нормали НИИХИММАШ к агрегату ректификации принимается типовая колонна диаметром D = 3400 мм.
Реальная скорость паров:
6,06
W ~ 0,785-3,42 = 0,668 м/с -
Загрузка колонны при проектной производительности составляет:
0,668
0,738 •100 = 90,5%
Максимальная загрузка колонны при принятом диаметре равна:
|
|
14714-0,738 |
= |
16 300 :г/ч |
|
|
|
0,668 |
|
||
|
|
|
|
|
|
Тепловой баланс колонны основной ректификации. |
|
||||
П р и х о д т е п л а |
|
|
|
||
с |
поступающим метанолом |
|
|
|
|
|
|
14714,0 ■0,746 - 80 = 877 000 ккал/ч |
|
||
с греющим паром |
|
|
|
||
|
|
Gn-500 ккал/ч |
|
||
Р а с х о д т е п л а |
|
|
|
||
с кубовым остатком |
|
|
|
||
|
|
2095 • 1,0 ■105 = |
|
220 000 ккал/ч |
|
с отбором |
изобутилового масла |
|
|
|
|
|
|
387,5 • 0,91 • 92 = |
32 400 ккал/ч |
|
|
с |
отбором |
изобутиронной фракции |
|
|
|
|
|
40 -0,62 -72= 1788 ккал/ч |
|
||
с отбором метанола-ректификата |
|
|
|
||
|
|
11 930-0,64-65 = |
496 000 ккал/ч |
|
|
с |
предгоном |
|
|
|
|
|
|
261,5-0,64-64= 10 700 ккал/ч |
/ |
||
|
|
|
|
|
138