Объект исследования дипломной работы

Два действующих технологических узла синтеза метил-трет-

бутилового эфира в отделении МТБЭ цеха Д-4-4а-МТБЭ работают на

максимальных мощностях. При дальнейшем повышении загрузки по сырью

наблюдается нестабильность в работе основной реакционно-

ректификационной колонны Кт-340 (повышение рабочего давления), что в

конечном итоге ведёт к неудовлетворительным результатам анализов

товарного эфира.

Для того чтобы увеличить производственные загрузки по сырью и

выход эфира было принято решения о реконструкции одного из работающего

контура узла синтеза метил-трет-бутилового эфира.

Установка получения метил-трет-бутилового эфира в отделения

МТБЭ цеха Д-4-4а-МТБЭ состоит из двух параллельно и независимо

работающих друг от друга технологических контуров, основным

оборудованием которых являются прямоточные реактора адиабатического

типа (Р-230/330), служащие для синтеза эфира, и реакционно-

ректификационной колонны (Кт-240/340), служащие для разделения

продуктов синтеза путем их ректификации.

Объектом исследования выступает реакционно-ректификационная

колонна Кт-340. Особенностью данной колонны является то, что она состоит

из трёх зон:

- верхней ректификационной зоны (для отделения не

прореагировавших углеводородов С

от МТБЭ);

-средней реакционно-ректификационной зоны, которая заполнена

сульфированным катализатором (для достижения глубокой конверсии

изобутилена, синтеза МТБЭ);

-нижней ректификационной зоны (для удаления от МТБЭ

углеводородов С

и метанола).

Рассматривались способы проведения реконструкции колонны Кт-

340, а именно, средней реакционно-ректификационной её зоны, заполненную

катализатором.

Было решено вынести катализаторную зону колонны Кт- 340 и

спроектировать выносной реактор Р-350, заполненный катализатором и

работающий как её средняя реакционно-ректификационная зона, что

позволит существенно разгрузить колонну по нагрузкам и действию

сопротивлений потокам пара и жидкости со стороны слоя катализатора,

практически полной конверсии изобутилена в реакторе Р- 350, увеличению

производственных нагрузок установки и повышения выхода МТБЭ.

Подобной реконструкции ранее подвергалась колонна Кт- 240,

успешно эксплуатируемая в настоящее время.

Ещё одной задачей является замена теплообменных аппаратов-

конденсаторов, в которых конденсируются пары отработанной дистиллятной

фракции, содержащую в основном изобутан (более 96%). Наращивание

промышленных мощностей повлечёт за собой и увеличения выхода легких

углеводородов верхом колонны, которые необходимо сконденсировать.

В настоящее время исследуют пути усовершенствования аппаратов,

совмещением методов повышения коэффициентов эффективности их в

работе и уменьшения массы аппарата, занимаются разработкой новых

способов передачи тепла между теплообменивающимися средами через

разделяющую их стенку, путём изменения конструктивных особенностей

аппарата.

Выбор именно кожухотрубчатого аппарата как конденсатора для

паров изобутановой фракции обуславливается высокой эффективностью в

эксплуатации данных аппаратов. Обладая довольно высокими

коэффициентами теплоотдачи, простотой в конструкции, простотой в

проведении ремонта трубного пространства, в которое направляют

оборотную воду, и большой поверхностью теплообмена, они и в нынешнее

время являются наиболее востребованными теплообменными аппаратами для

применения их в различных технологических процессах промышленных

масштабов.

Объектом проектирования является конденсатор-дефлегматор,

проектирование и подбор в замен действующим в настоящее время,

обладающим большей поверхностью теплообмена и, по возможности,

позволяющим уменьшить количество аппаратов, что отразилось бы на

занимаемой площади в целом.

В настоящее время для конденсации паров изобутановой фракции

установлены четыре кожухотрубчатых аппарата горизонтального типа с

поверхностью теплообмена F= 450 м2 каждый.

Проектирование и подбор конденсатора-дефлегматора для замены

действующих будет темой данной дипломной работы.

2.2 Физико-технологические параметры для расчёта конденсатора

Для дальнейших расчётов потребуется определить основные физико-

химические параметры продуктов.

Пары изобутановой фракции, поступающей с верха колонны Кт- 340,

конденсируются в дефлегматорах, путём их охлаждения оборотной водой.

В настоящее время установка работает на загрузках, не превышающих

15- 17 тонн в час по сырью, из которых, по производственным данным, 8,64

тонны отработанной фракции в верха колонны направляется на

конденсацию.

По прогнозируемым данным, после реконструкции, загрузка колонны

Кт- 340 по сырью должна увеличиться в два раза- 34 тонны, что,

следовательно, увеличит и выход дистиллятной отработанной фракции

примерно в два раза и составит 17,28 тонн в час.

Для выбора стандартного нормализованного варианта

кожухотрубного конденсатора- дефлегматора горизонтального типа

произведём расчёт конденсатора при нынешних загрузках колонны. По

полученным результатам расчётов определим сколько теплообменников

потребуется, чтобы сконденсировать пары изобутана в количестве 8,64 тонн

в час. При увеличенных загрузках число конденсаторов, необходимых для

конденсации паров в количестве 17,28 тонн, определим, увеличив их число

вдвое.

Основные режимные параметры процесса синтеза, согласно

производственных данных:[26]

а) температура паров изобутановой фракцииt

кон

, °С 42;

б) рабочее давление в системе Р

раб

, МПа 0,55;

в) количество паров, поступающих в конденсаторG

,

кг ч

8640;

G

= 8640

кг ч

= (8640/3600=2,4

кг с

).

Охлаждающая вода на входе в конденсатор имеет начальную температуру,

равную:

t

2н

= 14°С.

Таблица 2.1 Режимные параметры процесса синтеза МТБЭ

Параметры Размерность Значение

Температура паров

изобутана

°С t

кон

= 42

Давление в системе МПа Р

раб

=0,55

Расход паров Кг/ч G

=8640

Температура воды на

входе в конденсатор

°С t

2н

=14

2.3 Тепловой и технологический расчёт конденсатора

Теплофизические свойства конденсата (изобутана), так как процесс

конденсации протекает без охлаждения конденсата, определяем при

температуре конденсацииt

= 42 °С и рабочем давлении в системе Р

раб

=5,5

кгс/см2:

= λ

1

0,055– коэффициент теплопроводности изобутана,Вт/(м·К),[10, табл.225,

стр. 80];

r=7406733-удельная теплота конденсации изобутана,Дж/ (кг ·К), [6, стр. 889];

μ

1

= 0,00084–динамическая вязкость изобутана,Па·с[6, стр. 988];

ρ

1

= 553– плотность изобутана,кг/м3[6, стр. 889].

Зададим конечную температуру воды на выходе из конденсатора, равной:

t

2к

=22 °С.

Определим среднюю температуру охлаждающей (оборотной) воды по

формуле:[4]

t

ср

=0,5· (14 + 22) = 18 °С.

Определяем физико- химические показатели воды при вычисленной средней

температуреt

ср

= 18 °С:

c

= 4190– теплоёмкость воды,Дж/ (кг ·К),[5,табл. ХХХIX];

λ

= 0,589– коэффициент теплопроводности воды,Вт/ (м· К),[5,табл. ХХХIX];

μ

= 0,0011–динамическая вязкость воды,Па·с, [5,табл. VI];

ρ

= 999– плотность воды,кг/м3[5,табл. ХХХIX];

Таблица 2.2 Физико-химические характеристики теплоносителей

No Характеристики Размерность Для воды Для изобутана

1. Плотность кг/м3 ρ

=0,553

2.

=999 ρ

Коэффициент

вязкости

Па·с μ

=0,00084

3. Теплоемкость Дж

·

=0,0011 μ

=4190 -

4.

кг/К C

2 Коэффициент

теплопроводности

Вт/м

·

К λ

=0,055

5.

=0,589 λ

Удельная конденсации

теплота

Дж/ (кг ·К) - r

=7406733

Критерий Прандтля для воды при средней температуре определим по

формуле: [4]

Pr

воды

=

c

λ ∗ 2

μ

; (2.2)

Считаем критерий Прандтля для воды, согласно (2.2):

Pr

воды

=

4190∗0.0011 0.589

= 7,83.

Рассчитываем тепловуюнагрузкудля аппарата по формуле:[4]

Q = r ∙ G

; (2.3)

где

Q-тепловая нагрузка конденсатора, Вт;

r- удельная теплота конденсации,Дж/ (кг ·К);

G

− расходпаровизобутана,

кг с

.

Тепловая нагрузка аппарата составит, согласно формуле(2.3):

Q= 7406733 ∙ 2,4= 17776159Вт.

Далее расчёт ведем, поделив тепловую нагрузку на два, с целью разделения

тепловой нагрузки между двумя аппаратами:

Q =

17776159 2

= 8888079,6 Вт.

Далее рассчитаем массовый расходводы, необходимый для осуществления

процесса конденсации по формуле:[8]

G

Q c

(

,

(2.4)

где

G

=

t

2к

−t

2н)

− расход оборотной воды,

кг с

.

Потребное количество расхода воды в трубное пространство конденсатора

составит, согласно (3.4):

G

=

4190(22−14) 8888079,6

=265,2кг/с.

Определим среднюю движущую силу процесса теплопередачи по

уравнению:[4]

)−(t Δt

ср

=

(t

−t

ln

2н

−t

2к

)

. (2.5)

Средняя разность температур составит, согласно (2.5):

Δt

ср

(t

−t

2н

) (t

−t

2к

)

=

(42 − 14) ln

− (42 − 22)

= 33.2 град.

Приближенный (ориентировочный) расчет площади поверхности

конденсатора.

Чтобы определить поверхность теплопередачи, необходимую для

конденсации и подобрать оптимальный вариант конструкции конденсатора

нужно рассчитать коэффициенты теплопередачи. В силу того, что для того,

чтобы рассчитать коэффициенты теплопередачи необходимы

данныепоосновным геометрическим размерам теплопередающих

поверхностей теплообменной аппаратуры: основные геометрические

размеры труб и их число, которое неизвестно, задаёмся ориентировочным

коэффициентом теплопередачи и подсчитываем ориентировочное число

поверхности теплообмена.

Исходя из данных таблицы 2.3, согласно [4, стр. 46]:

Таблица 2.3

Теплообмен Для вынужденного движения,

K, ВТ/(М2К)

От конденсирующегося пара

органических жидкостей к воде

(42−14) (42−22)

300-800

зададимся ориентировочным коэффициентом теплопередачи, равным:

Кор= 400 Вт/(м2 • К).

Теперь считаем ориентировочное значение поверхности теплообменаF

ор

, по

формуле:[2]

F

ор

=

(Кор•Δt

Q

ср

)

(2.5)

Ориентировочное значение поверхности теплообмена, согласно (2,5):

F

ор

8888079,6 400 • 33.2

= 669,8 м2.

Принимаем ориентировочное значение поверхности теплообмена равной:

F

ор

=

= 670м2.

Обеспечение максимально эффективного теплообмена происходит

при развитом турбулентном режиме потока жидкости в трубках.

Целесообразно будет и задаться таким числом Рейнольдса, который будет

отвечать турбулентному режиму.[1]

Задаваясь Re=15000, соответствующему турбулентному течению в

трубках трубного пространства, определим число труб на один ход

теплоносителя для труб с наружным диаметромd

н

=25x2= 0,025м, по

формуле:[13]

n z

=

πd

вн 4G

(2.6)

где d

вн

μ

Re

- внутренний диаметр труб;

d

н

= 0,025м;

n- число труб, штук;

π– геометрическая постоянная (π =3,14);

z - число ходов по трубному пространству.

Рассчитаем внутренний диаметр трубки:

толщина трубок составляет: 2мм = 0,002м = 0,0022 = 0,004м,

Теперь определяем внутренний диаметр трубки:

d

вн

=0,025-0,004=0,021 м

Определив внутренний диаметр трубок, рассчитываем число труб на один

ход, согласно (2,6):

4 n z

=

∙ 265,2 3.14 ∙ 0.021 ∙ 0,0011 ∙ 15000

= 868.

Уточнённый расчет площади поверхности конденсатора.

По результатам выше рассчитанных данных и по ГОСТ 15121-79

подбираем наиболее подходящий по параметрам (число труб) и

просчитанной ориентировочной поверхности теплообменакожухотрубчатый

конденсатор. Как видно, наиболее оптимальное значение поверхности

теплообмена и соотношение

n z

имеет наилучшее и близкое к определённому

значение у конденсаторов:

Таблица 2.4 Характеристики конденсатора.

D d

н

Z n F L S

сеч

М, кг

1400 25x2 2 1504 708 6,0 0,26 16260

,

где

D-диаметр, мм;

z- число ходов по трубам

d

н

- наружный диаметр труб,м;

n- общее количество труб, штук;

L- длина труб, м;

F- поверхность теплообмена,м2;

S

сеч

-площадь поперечного сечения одного хода по трубам, м2;

М- масса конденсатора, м; n z

= 1504/2= 752.

По выбранному стандартному конденсатору далее ведём расчёт.

Найдём действительное число РейнольдсаRe

по формуле:[9]

Re

=

πd

4G

вн

z

; (2,7)

Re

nμ

=

4 ∙ 265,2 ∙ 2 3.14 ∙ 0.021 ∙ 0,00116 ∙ 1504

= 25463.

говорит РассчитаннаявеличинаRe

о том,чтовода по трубамдвижется в

турбулентном режиме.

Зная термодинамические величины воды, при определённых

числеРейнольдса и внутреннем диаметре трубок, находим

коэффициенттеплоотдачиα

:

Найдёмкоэффициенттеплоотдачи α

отводыкстенке трубки из уравнения:[13]

α

=

d λ

вн 2

0,023 ∙ Re

0,8

Pr0,4

∙ (

Pr

Pr

ст

0,25

. (2,8)

Вода, используемая в качестве охлаждающего агента, нагревается.

Соответственно, поправкой можно пренебречь и принять её, равной:[4]

(

)

0,25

= 1,

Тогда получим, согласно (3,8):

α

Pr Pr

ст

)

=

0,589 0,021

∙ 0,023 ∙ 254630,8 ∙ 7,830,4 ∙ 1 = 4918

Вт м2 ∙ К

.

Найдём коэффициент теплопередачиα

передающего тепло от пара,

который конденсируется на пучке горизонтально расположенных труб,

кстенке, используя для расчёта формулу:[13]

α

ρ2Ln μ

; (2,9)

α

= 2,02ελ

√

G

= 2,02 ∙ 0,6 ∙ 0.055√

5532 ∙ 6 ∙ 1504 0.00084 ∙ 2,4

=

м2 Вт

∙ К

,

где

ε– коэффициент, принимаемый,равным0,6 при числе труб n больше 100.

Для нахождения расчётного коэффициента теплопередачи нужно

определить и рассчитать сумму всех термических сопротивлений

поверхностей теплообмена со стороны конденсирующихся паров изобутана и

со стороны оборотной охлаждающей воды, с учётом загрязнений с обеих

сторон.

Сумму термических сопротивлений стенки с учётом загрязнений

находят по формуле:[10]

∑δ λ⁄ =

δ

ст

⁄ λ

ст

+ r

зH

+ r

зiC

; (2.10)

Определяем [3, табл.4]значения ориентировочных коэффициентов

теплопроводности загрязнений.

В качестве охлаждающего агента используется оборотная загрязнённая вода:

r

зH

o

H

o

=1/1860 =0,0005376Вт/(м2·К).

Для изобутана, как для органических паров, выбираем: r

зiC

= 1/5800=0,0001724Вт/(м2·К).

Зададимся [5, табл.5]коэффициентом теплопроводности для материала

стенок для нержавеющей стали равным:

λ

ст

H

= 17,5Вт/(м2·К).

Рассчитав уравнение (2.10), получим:

∑δ λ⁄ =

0,002 17,5

+ 0,0005376 + 0,0001724 = 0,0008243м2·К/Вт,

где

δ

ст

- толщина трубок, м.

Расчётный коэффициент теплопередачи K рассчитаем по формуле:

K =

(

; (2.11)

K =

α

+

α

+∑δ

ст

⁄ λ

ст

)

(

740 1

+

4918 1

+ 1

0,0008243)

= 420

м2 Вт

∙ К

.

Зная коэффициент теплопередачи K, находим необходимую требуемую

расчётную поверхность теплообмена, по формуле (2.4):

Она будет равна:

F

тр

=

8888079,6 (33.2 ∙ 420)

= 637 м2.

По результатам выше рассчитанных данных можно сделать вывод, что

выбранный конденсатор соответствует по технологическим параметрам и

геометрическим размерам с соответствующей поверхностью теплообмена,

подходящей с запасом:[4]

Δ = (708 − 637) ∙

100 637

= 11 %.