Содержание

Введение 5

1. Создание химико-технологической схемы (ХТС) синтеза 7

Массообменные расчеты 11

2. Обоснование выбора типа идеального реактора 18

3. Расчет реактора 29

3.1 Выбор типа аппарата 29

3.2 Выбор материалов для изготовления деталей аппарата. 31

3.3 Расчет днища и крышки 33

3.4 Расчет элементов рубашки 35

3.5 Фланцевое соединение 35

3.6 Устройства для присоединения трубопроводов и осмотра аппаратов 38

Расположение штуцеров на эллиптических днищах для аппаратов 38

D=1800 – 3000 мм находим из рис. 2.7 б стр.19 (электронный вариант) 38

Диаметры условного прохода зависит от типа крышки и диаметра аппарата. 39

D, мм 39

Диаметр условного прохода D_У, мм 39

Установочные размеры(рис.2.7б) 39

1800 39

А 39

Б 39

В 39

Г 39

Д 39

Е 39

Ж 39

И 39

К,К₁ 39

Л 39

М 39

D₂ 39

R₁ 39

R₂ 39

L₁ 39

200 39

100 39

100 39

100 39

50 39

250 39

50 39

150 39

80 39

150 39

80 39

1200 39

580 39

540 39

250 39

Размеры штуцеров выбираем по диаметру условного прохода D_У и условному давлению Р_у по таблице 39

Примечание: диаметр резьбы болтов d = 18 мм, d_болта = М16 39

Пример обозначения штуцера с D_У = 200 мм на Р_у = 0.6 МПа, Н = 155 мм из стали ВСт3сп4: штуцер 200-0,6-155-ВСт3сп4, ОСТ 26-1404-76. 39

Усиление отверстий. 39

1) Отверстия в крышке: 39

Наибольший диаметр отверстий, не требующих укрепления: 39

39

– расчетный внутренний диаметр оболочки. Необходимо укреплять отверстия больше 53 мм. 39

Используем укрепляющие кольца. 39

39

s = δ = 12 – толщина кольца и обечайки (мм) соответственно, d – наружный диаметр патрубка (отверстия под штуцер). 40

2) Отверстия в рубашке: 40

40

4. Расчёт и конструирование перемешивающего устройства 40

4.1 Выбор мотор-редуктора 40

4.2 Подбор стойки под редуктор 41

4.3 Подбор опоры под стойку 41

4.4 Выбор уплотнения 41

4.5 Выбор муфты 42

4.6 Проверочный расчет уплотнения 42

4.7 Проектный расчёт и конструирование вала и подшипникового узла 43

Заключение 46

Список использованной литературы 49

Введение

Современная химическая промышленность предъявляет высокие требования к эффективности, безопасности и устойчивости технологических процессов, что делает грамотный выбор и расчёт химических реакторов ключевым этапом проектирования. Особое значение имеет корректное определение параметров аппаратов непрерывного и периодического действия, поскольку именно они обеспечивают требуемую глубину превращений, селективность, качество целевого продукта и экономичность всего производства. В этой связи расчёт реактора идеального смешения (РИС) представляет собой важную инженерную задачу, требующую комплексного анализа кинетики, массообмена, теплообмена и гидродинамики.

Актуальность темы обусловлена тем, что реакторы идеального смешения широко применяются в тонком органическом синтезе, производстве красителей и промежуточных продуктов, где процессы протекают в жидкой фазе и требуют точного поддержания параметров среды. В таких реакторах достигается однородность состава по всему объёму, что важно при мультистадийных превращениях, характерных для синтеза окрашенных органических соединений и их производных. Использование модели идеального смешения позволяет описывать процессы в условиях полной макросмешиваемости, что даёт возможность точно рассчитывать концентрации реагентов, скорость реакций и динамику выхода продукта.

В рамках данной курсовой работы объектом исследования является реактор идеального смешения, предназначенный для проведения синтеза борат 1-гидрокси-2,4-бисфениламиноантрахинона — органического соединения, относящегося к классу специализированных красителей и промежуточных продуктов.

Цель данной курсовой работы — выполнить полный инженерный расчёт реактора идеального смешения для синтеза борат 1-гидрокси-2,4-бисфениламиноантрахинона с заданной годовой производительностью, включая разработку технологической схемы, материальные балансы, анализ кинетики, тепловой и гидравлический расчёты, а также расчёт системы перемешивания и вспомогательного оборудования.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

• разработать химико-технологическую схему процесса синтеза с учётом трёх исходных стехиометрических реакций;

• выполнить материальные балансы реактора и определить расход сырья;

• рассчитать кинетические параметры упрощённой реакционной схемы;

• определить объём реактора и параметры его работы в режиме идеального смешения;

• выполнить тепловой расчёт для поддержания заданных условий процесса;

• провести гидравлический расчёт с учётом характеристик трубопроводов;

• выбрать и рассчитать систему перемешивания;

• рассчитать насос;

• подготовить эскиз операторной схемы синтеза и чертеж реактора.

1. Создание химико-технологической схемы (хтс) синтеза

Создание химико-технологической схемы синтеза представляет собой ключевой этап разработки любого органического процесса, поскольку именно на уровне ХТС формируется последовательность операций, аппаратов и основных условий, обеспечивающих получение целевого продукта требуемого качества. В рамках данного синтеза в качестве основы использованы литературные описания получения хромового сине-черного антрахинонового красителя и промежуточного соединения — борат 1-гидрокси-2,4-бисфениламиноантрахинона. Процесс включает несколько взаимосвязанных стадий: подготовку исходного сырья, проведение реакции с последовательно изменяющимися параметрами среды, регулирование окислительно-восстановительных условий, стадии сульфирования и нейтрализации, выделение продукта, промывку, сушку и стандартные пост-обработки, характерные для производств красителей на основе антрахиноновой структуры. ХТС строится на основе пошагового преобразования реагентов, обеспечивающего формирование нужных функциональных групп и кольцевых связей, характерных для антрахиноновых производных.

Исходной стадией является подготовка 1,2,4-тригидроксиантрахинона (пурпурина), являющегося ключевым исходным соединением для последующих превращений. Согласно источнику, сырье предварительно суспендируется в воде и обрабатывается сильным окислителем — диоксидом марганца, добавляемым в присутствии серной кислоты. Эта стадия требует поддержания температуры ниже 40 °С, поскольку чрезмерный нагрев приводит к побочным окислительным процессам и ухудшению чистоты целевого продукта. На технологической схеме данный этап представляется как аппарат с мешалкой, оснащённый системой охлаждения и возможностью контролируемой подачи твёрдого реагента. После завершения окисления реакционную массу охлаждают до 20–25 °С, что обеспечивает селективность и предотвращает дальнейшее разложение.

На следующем этапе полученный промежуточный продукт переводят в реактор объёмом около 500 мл (на лабораторном уровне), оснащённый нагревателем, термометром и системой дозированной подачи раствора NaHSO₃. В промышленной интерпретации этот узел представляется как реактор с точной системой регулирования подачи жидких реагентов и контролем температуры. Ввод раствора солей сернистой кислоты должен осуществляться таким образом, чтобы температура не превышала 70 °С, что достигается либо каскадной подачей, либо использованием теплообменника. После полного введения раствора реакционную смесь выдерживают при заданных условиях, затем разбавляют водой, охлаждают до 25–30 °С и фильтруют на промышленном вакуум-фильтре. На выходе получают пурпурин в виде оранжево-красных игольчатых кристаллов.

Следующая стадия ХТС связана с получением борат 1-гидрокси-2,4-бисфениламиноантрахинона. В лабораторной установке реакция проводится во фляжном реакторе с мешалкой, охлаждением и возможностью подачи аргона для создания инертной атмосферы. В промышленной схеме инертирование требуется на тех этапах, где присутствуют легко окисляющиеся ароматические амины или высокие температуры. Согласно описанию, исходные реагенты — 59 мл анилина и 11 г пурпурина — нагревают в присутствии H₃BO₃ (борной кислоты) до 130–145 °С, а затем выдерживают смесь при этих условиях 2 часа. Реактор, предназначенный для этой стадии, должен быть герметичным, оснащённым мешалкой, рубашкой для нагрева и системой вакуумирования. В ходе выдержки и последующего охлаждения масса уплотняется, выпадает осадок, который затем промывают растворённой Na₂CO₃. Далее осадок сушат при 90–100 °С в вакуумном сушильном шкафу, а конечный продукт поступает в накопительную тару.

Финальная стадия основана на получении динатриевой соли 1-гидрокси-2,4-бис(4-сульфофениламино)антрахинона — водорастворимого красителя. В технологической схеме эта стадия представлена наиболее сложным блоком, поскольку включает высокотемпературное нагревание, дозированное сульфирование и последующую нейтрализацию. В реакционный аппарат загружают анилин, мононатриевую соль, а также предварительно синтезированный борат. Смесь нагревают до 130–140 °С, при этом важно поддерживать равномерность температуры и интенсивное перемешивание. На ХТС этот участок представлен реактором высокотемпературного действия, работающим под атмосферным или слегка повышенным давлением. После выдержки добавляют 30 % раствор NaOH, что приводит к глубокому превращению исходного сырья. Далее массу охлаждают, добавляют смесь H₂SO₄ с водой с контролируемой скоростью, поскольку процесс сопровождается значительным тепловыделением.

После завершения сульфирования реакционную массу фильтруют, промывают 7 % раствором NaCl и сушат при 90–100 °С. Промывка раствором хлорида натрия обеспечивает удаление растворимых примесей и перевод красителя в стабильную натриевую форму. Для промышленного производства данные операции проводятся в непрерывных фильтрах — барабанных вакуум-фильтрах, камерных фильтр-прессах или центрифугах.

Таким образом, вся химико-технологическая схема синтеза включает последовательные узлы подготовительного, реакционного и отделочного характера: аппарат для окисления антрахинонового сырья, реактор восстановления и последующей обработки сернистым натрием, вакуум-фильтр и сушильный шкаф; затем реактор для аминирования и борирования, аппараты отделения и сушки; и, наконец, реактор для сульфирования с узлом нейтрализации, фильтр-пресс, промывка, сушка и упаковка. Между отдельными аппаратами предусматриваются трубопроводные связи, насосы для перекачки жидких сред и узлы обеспечения температурных режимов — теплообменники, рубашки, холодильники. Такая схема отражает специфику антрахиноновых производств, где требуется строгое соблюдение температурных режимов, чередование этапов окисления, восстановления и сульфирования, а также высокий уровень чистоты применяемых реагентов.

ХТС позволяет не только визуализировать процесс, но и служит основой для дальнейших инженерных расчётов, включая материальные балансы, расчёт реактора идеального смешения, подбор вспомогательного оборудования и определение необходимых параметров для обеспечения безопасного и эффективного синтеза. На её основе формируется графическая часть, включающая операторную схему синтеза и чертёж основного аппарата, что обеспечивает полное представление о технологическом процессе и его последовательных стадиях.