Определение объема и размеров аппарата

РЕФЕРАТ

	

		Выпускная квалификационная работа 116 с., 11 рис., 23 табл., 24 источника, 1 прил.

	РЕАКТОР СО ЗМЕЕВИКОМ, МЕШАЛКА,  ФЕНОЛ, ФОРМАЛИН, ПРОИЗВОДСТВО фенолформальдегидной смолы.

		Объект проектирования – реактор синтеза фенолформальдегидной смолы 

	ООО «Метадинеа».

		Цель работы – увеличения суточного объема выпускаемой продукции.

		Сущность предлагаемого решения заключается в установке реактора V=48.5 м3 оборудованным перемешивающим устройством и внутренним змеевиком.

		В выпускной квалификационной работе выполнены технологические и прочностные расчеты аппарата. Определена необходимая поверхность теплообмена внутреннего змеевика.

		Представлены разделы «Контрольно-измерительные приборы и средства автоматизации», «Безопасность жизнедеятельности».

		Графическая часть работы представлена на 6 листах.























Введение



Фенолформальдегидные смолы и клеи на их основе один из самых перспективных полимерных материалов [1]. Фенолоформальдегидные смолы и клеи позволяют создавать клеевые соединения повышенной прочности, эластичности, водостойкости и долговечности. Это является важным фактором при её эксплуатации в переменных температурно-влажностных условиях.

Основным сектором потребления ФФС является деревообрабатывающая промышленность, в производстве различных древесных плит (древесно-стружечные плиты, древесноволокнистые плиты средней плотности (MDF), ориентировано-стружечные плиты (OSB) и фанеры) используется до 35% ФФС.  Практически в равной степени ФФС потребляются в литейном производстве, производстве связывающего клеевого решения для тепло и звукоизоляционных материалов на основе минеральных, стеклянных и текстильных волокон, используемого в промышленности и жилищном строительстве, и слоистых пластиков (текстолит, стеклотекстолит и др.). Имеется спрос со стороны производителей ЛКМ, фрикционные изделий тормозных систем в автомобильной промышленности, абразивов, огнеупорных материалов, пенопластов, различных видов покрытий.  

Используются также для пропитки бумаги и хлопкового волокна, идущих на изготовление    слоистых пластиков, формованных изделий, фильтровальной бумаги и прокладок для пластин аккумулятора.

Фенольные смолы применяют в качестве связующего для типографских красок и в качестве покрытий для защиты оборудования от коррозии.

Следует отметить, что потребность народного хозяйства в фенолоформальдегидных смолах растет более быстрыми темпами, чем их производство [1]. Темпы роста потребностей в смоле больше чем темпы производства фенолформальдегидной смолы. В связи с интенсивным ростом потребностей в фенолформальдегидных смолах любое химического предприятия ставит для себя цель выпускать наибольшее количество качественной продукции при наиболее эффективном использовании сырья и энергетических ресурсов. Основными источниками сырья для синтеза смол является формалин 55%, фенол, карбамид, гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH.











































                                                                                                                                             



1 Технологические расчеты

Синтез смол осуществляется в реакторе поз. R-3101 установленном на тензодатчиках поз. WT-3101. Реактор представляет собой цилиндрический аппарат объемом 48,5 м3 характеристики аппарата приведены в таблице 1. Реактор оборудован мешалкой, внутренним змеевиком и змеевиком в нижней части реактора для охлаждения смеси в реакторе.

Таблица 1 – характеристики аппарата 

Максимальное наполнение

45.2 м3

Проектное давление

1.1/-1 кгс/см2

Проектная температура	

110С

Площадь теплообмена

110 м2

Материал

AISI 304L

Тип мешалки

лопастная

Мощность электродвигателя мешалки

42 кВт

Перемешиваемый объем мешалки

340 м3/мин (вода



1.1 Описание технологической схемы

Технологический процесс синтеза смол периодический и осуществляется в реакторе поз. R-3101. В определённой последовательности осуществляется дозирование сырья в реактор. Эта последовательность операций протекает либо автоматически, либо управляется оператором вручную. Регулирование параметров технологического процесса происходит посредством системы управления Delta V.

Сначала в реактор поз. R-3101 из емкости хранения фенола поз. Т-3111 по обогреваемому трубопроводу фенол с температурой 50-70С дозируется в реактор насосом фенола поз. Р-3110. Защита трубопровода от превышения давления осуществляется предохранительным клапаном поз. SV-3110 (на всасе насоса поз. Р-3110 сбрасывает избыточное давление). Массовым расходомером поз. FT-3110 измеряется расход фенола. Вовремя дозировании фенола на линии подачи в реактор открывается отсечной клапан поз. GV-3111, после чего включается насос поз. Р-3110 и немедленно открывается отсечной клапан поз GV-3110.1. Необходимо во избежание перегрева насоса, чтобы сразу после запуска насоса был открыт клапан поз. GV-3110.1.

По обогреваемому трубопроводу в реактор поз. R-3101 насосом поз. Р-3100 подается формалин из емкости хранения поз. Т-1с.  Измерение расхода формалина осуществляется массовым расходомером поз. FT-3100. Для начала дозирования необходимо открыть клапан поз. GV-3102. От необходимого времени дозирования зависит частота работы насоса. В системе Delta V дозирование осуществляется автоматически. В случае осуществления управления дозирования вручную необходимо задаться необходимым количеством формалина и скоростью его подачи.

 При температуре 60-70С осуществляется дозирование формалина. В том случае если мешалка поз. М-3101 не включена, клапан дозирования формалина поз. GV-3100.1 не откроется так как связан с контроллером поз. SS-3001 мешалки реактора. Это для того чтобы предотвратить дозирования формалина в реактор без перемешивания, во избежание образования точек интенсивной реакции с выделением большого количества теплоты.

В качестве катализатора используется раствор едкого натра, который дозируется в реактор насосом поз. Р-3120. Расход щелочи измеряется массовым расходомером поз. FT-3120. Контроллер поз. FIC-3120 управляет скоростью подачи щелочи в реактор посредством регулирования частоты тока электродвигателя насоса.

Управление дозированием катализатора, осуществляется из емкости хранения едкого натра поз. Т-3120 автоматически в системе Delta V. Дозирование начинается при открытом клапане поз. GV-3120.1 насосом поз. Р-3120. и открытии клапана поз. GV-3120.1. В том случае если мешалка поз. М-3101 не включена, клапан дозирования едкого натра GV-3120.1 не откроется, так как связан с контроллером поз. SS-3001 мешалки реактора. Это для того чтобы предотвратить дозирования едкого натра в реактор без перемешивания, во избежание образования точек интенсивной реакции с выделением большого количества теплоты.

В некоторых рецептурах смол необходимо использовать воду (речную или повторно используемую). Вода в реактор подается из емкости поз. Т-3190. насосом поз. Р-3190 при открытии клапанов поз. GV-3190 и GV-3191.1. Измерение расхода воды происходит с помощью массового расходомера поз. FT-3190. Частотным преобразователем SIC-31890 осуществляется регулирование скорости дозирования воды.

В том случае, когда используется речная вода, открываются клапаны 

поз.GV-3191.1 и GV-3170, дозирование выполняется непосредственно из трубопровода подачи фильтрованной речной воды. Для этого открываются клапаны поз.GV-3191.1 и GV-3170. В системе Delta V происходит автоматическое дозирование воды. 

Так же рецептурой смол предусматривается использование карбамида. С помощью подъемного устройства поз. М-3050, установленного над реактором осуществляется загрузка карбамида в реактор. Для загрузки карбамида открываются задвижки поз. GV-3007/3007.1 и открывается низа мешка в следствии чего карбамид высыпается в реактор. Во время открытия задвижки поз. GV-3007/3007.1 автоматически запускается вентилятор поз. Р-3002/3102. В следствии чего на линии отходящих газов из реактора автоматически открывается клапан поз. GV-3106.2 и минуя конденсатор поз. Е-3101 закрывается клапан поз. GV-3106.1 на линии отходящих газов из реакторов. Аналогично карбамиду загружаются и другие сыпучие материалы.

Для поглощения отходящих газов из реактора на линии установлен скруббер поз. F-3102. В нем может используется как раствор едкого натра концентрацией 1-2% (масс.) так же и речная вода. Объем воды в скруббере 265 л. Замена воды в скруббере осуществляется по достижении в ней концентрации фенола или формальдегида 1-1.5% (масс.). Насыщенная примесями вода сливается в емкость повторно используемой воды поз. Т-3190, если это невозможно вследствие техобслуживания емкости, то в контейнер.

После загрузки сырья, в реакторе поз. R-3101 происходит процесс метилирование фенола с возможностью частичного протекания конденсация. Температуры предварительно нагретого сырья за счет обогреваемого трубопровода достаточно для начала процесса, поэтому реактор не нуждается в дополнительном обогреве, для дальнейшей конденсации достаточно тепла выделяющегося в ходе реакции. В ходе конденсации измеряют вязкость поточным вискозиметром поз. ХТ-3101.1 и точку помутнения реакционной смеси. Контроль поточным рН-метром поз. ХТ-3101.2 осуществляется за важнейшим параметром технологического процесса рН смеси. 

В ходе синтеза смолы при открытом клапане поз. GV-3106.1 происходит выделение газа из реактора, который охлаждаются в конденсаторе поз. Е-3101. Для некоторых марки смол необходимо больше одной конденсации и несколько стадий загрузки сырья. Когда степень конденсации достигает определенного значения процесс прекращается путем как можно более быстрого охлаждения варки в реакторе до определенной температуры. В зависимости от рецептуры на данной стадии возможно дозирование карбамида. 

Охлаждение смеси в реакторе осуществляется подачей в змеевики реактора захоложенной воды или оборотной воды. Оборотная вода подается из сети ПАО «Метафракс». Вихревым расходомером поз. FT-3201/3201.1 измеряется расход воды, так же измеряется температура воды. Охлаждение различных продуктов осуществляется по-разному, система охлаждения реактора синтеза смол оборудована, установленными на линии подачи оборотной воды в реактор, двумя регулирующими клапанами поз. TCV-3001.1/3001.3 в диапазоне мощности 0-50%, и двумя клапанами TCV-3001.2/3001.4 в диапазоне 50-100% мощности. При охлаждении в диапазоне мощности 0-50% вода подается только во внутренний змеевик и часть змеевика в нижней части реактора, остальные змеевики не работают.  При охлаждении в диапазоне 50-100% мощности вода подается во все змеевики. Когда температура смолы в реакторе становится на 10 С больше оборотной воды, при охлаждении готовой продукции, автоматически происходит переключение на захоложенную воду. При этом закрываются клапаны поз. GV-3200/3200.1 и GV-3201/3201.1 на линии подачи оборотной воды в змеевики реактора и открываются клапаны поз. GV-3211.1 и GV-3212.1 на линии подачи захоложенной воды. Температура измеряется температурными датчиками поз. ТТ-3200.1, ТТ-3200.2, установленными на линиях прямой и обратной оборотной воды. Кроме этого на линиях установлены термометры поз. TI-3201.1 и TI-3201.2. Давление в линии оборотной воды поддерживается 3 кгс/см2. Трубопровод защищен от превышения давления регулирующим клапаном поз. PCV-3201. 

При опасном протекании процесса или при перебоях технических средств срабатывает сигнализация, и система ПАЗ переводит процесс в безопасное состояние, причем сохранение варки является вторичным.

Температура в реакторе измеряется двумя независимыми температурными датчиками поз. ТТ-3101 и ТТ-3101.1. Система управления Delta V сигнализирует о значении разности температур 3.5-4С. Когда разность температур достигает 5С включается охлаждение реактора. Реактор оборудован аварийной системой охлаждения, которая запускается автоматически или вручную. Для этого клапаны поз. GV-3004.1, GV-3003.1 открыты и происходит полное охлаждение реактора. 

Охлаждение вручную запускается при помощи кнопки, которая находится в операторской. Активированные клапаны в системе обходят с помощью ручных клапанов. Если слишком высокий рост температуры в реакторе и реакция выходит из-под контроля, аппаратчик может подать воду прямо в реактор. Клапаном поз. GV-3205.1 можно открыв ручную арматуру поз.V-3206.1 или управлять из системы Delta V. Если температура продолжает расти оператор активизирует процедуры аварийного охлаждения и аварийной остановки дозирования.

Съем тепла в реакторе - это ключевое действие при синтезе ФФС. Для обеспечения эффективной теплопередачи необходимо наличие эффективной системы оборотной воды и перемешивание в реакторе. В аварийных ситуациях (при прекращении подачи электроэнергии) [5] подача захоложенной воды из емкости захоложенной воды в реактор осуществляется аварийным насосом поз. Р-3210.1. Аварийный насос поз. Р-3210.1 имеет свой дизельный генератор и запускается, при прекращении подачи электричества, автоматически. При прекращении подачи электричества и воздуха, пружинные клапаны поз. GV-3200.1, GV-3211/3211.1, GV-3013 автоматически закрываются, а пружинные клапаны поз. GV-3004.1, GV-3002, GV-3201, GV-3212 автоматически открываются. При прекращении подачи электричества мешалка реактора останавливается и автоматически срабатывают клапаны на линии подачи сжатого воздуха (азота). Пружинный клапан сжатого воздуха поз. GV-3230 закрывается, а пружинный клапан поз. GV-3332 открывается. Клапан поз. GV-3331 открыт, когда синтез запускается из системы Delta V и закрыт, когда синтез заканчивается из системы управления. При прекращении подачи электричества эти клапаны срабатывают и инертный агент (азот) подается в реактор, через систему отбора проб и перемешивает содержимое реактора, таким образом, охлаждая варку.

Для защиты от избыточного давления в реакторе установлена разрывная мембрана поз. PSE-3101, настроенная при 120С на давление 0.45 кгс/см2. При разрыве мембраны срабатывает звуковая и световая сигнализация и газы выделившиеся в ходе реакции выбрасываются в аварийную емкость поз. Т-3002.

Оператор активизирует, при сбоях в процессе, две системы безопасности: аварийная остановка дозирования и аварийное охлаждение (ручное управление, находится в операторской).

Аварийная остановка дозирования:

Кроме операции дозирования сырья все остальные операции блокируются. Все операции по дозированию блокируются, кроме дозирования воды. Процедура не контролируется системой Delta V. Для активации процедуры оператор отжимает и нажимает кнопку в операторской. При этом закрываются следующие клапаны:

GV-3100.1 – клапан дозирования формалина;

GV-3110.1 – клапан дозирования фенола;

GV-3120.1 – клапан дозирования едкого натра.

Аварийное охлаждение:

Процедура предусматривает охлаждение реактора оборотной водой в условиях нормального охлаждения и нормальных условий энергоснабжения. Процедура не контролируется системой Delta V. Для активации процедуры аварийного охлаждения оператор отжимает и нажимает кнопку в операторской. 



1.2 Краткая характеристика сырья



Для производства смол большая часть сырья транспортируется по трубопроводам с производства ПАО «Метафракс». Основными источниками сырья для синтеза смол является формалин 55%, фенол, карбамид, гидроксид натрия NaOH, гидроксид калия KOH.

 

Таблица 2 - Основные физико-химические свойства сырья 

Наименование сырья, полупродуктов, готовой продукции (вещества, % масс), отходов производства

Класс

опасности

(ГОСТ 12.1.007-76)

Агрегатное состояние при нормальных условиях

Удельный вес для твердых и жидких веществ кг/м3







Температура









Кипения

Плавления

Самовоспламенения

Вспышки

Фенол

II

кристалл

1054,5

-

42,9

595

79

Формалин 55%

II (по формальдегиду)

жидкость

1250

99

-

430

77

Едкий натр

II

Твердый или жидкий

-

-

322

-

-



Формалин - токсичен при вдыхании, попадании на кожу и внутрь, оказывает сильное воздействие на центральную нервную систему. Хроническое отравление выражается в расстройстве пищеварения, зрения. При отравлении наблюдаются головные боли, сердцебиение, бессонница. При попадании на кожу вызывает экзему, дерматит [2].

Как правило, в формалине присутствуют примеси, которые в той или иной степени могут повлиять на ход реакции.

 	Муравьиная кислота, ее количество может повлиять на кинетику реакции, особенно при больших значениях рН, формальдегида с фенолом. 

Метанол снижает реактивность формалина, в связи с этим присутствует в формалине для увеличения срока хранения. 

Фенол – кристаллическое вещество со специфическим запахом. Сильно токсичное вещество. В организм проникает через кожу и органы дыхания. Вдыхание паров приводит к ожогу дыхательных путей, реже легких. Отравление вызывает повреждение почек и воспаление легких. При тяжелом отравлении может наступить смерть вследствие паралича центральной нервной системы [3].

Формальдегид (СН2О) – протоплазменный яд, используется в виде водного раствора (формалина) с концентрацией 37-58 %(масс.).  Характеризуется выраженным раздражающим действием на органы дыхания, кожу и слизистые оболочки. Выражено кожно-резорбтивное и сенсибилизирующее действие. Формальдегид горючий газ с резким запахом. 

В качестве катализатора применяется едкий натр при попадании на кожу и слизистые оболочки вызывает тяжелые ожоги, язвы, экзему; при попадании в глаза - тяжелые повреждения, которые могут привести к слепоте [2].





1.3 Расчет материально баланса



Уравнение поликонденсации смолы:



1000 кг

1000 кг

ОН

ОН

ОН

ОН



СН2

СН2



+2Н2О

+2Н2О



30 кг/моль

30 кг/моль

94 кг/моль

94 кг/моль  



n

n

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН

СН2ОН



664 кг/моль

664 кг/моль





Определение необходимого количества сырья для приготовления 

1000 кг смолы:



Т.к. в конденсаторе улавливаются выделившиеся в ходе реакции газы и возвращаются обратно в реактор, выход готовой продукции можно считать 100%.

Тогда состав готовой продукции будет:



	















1.4 Расчет теплового баланса



Исходные данные:



При тепловом расчете не будет учитываться изменение теплоемкости

Определение поступающего количества тепла вместе с исходным сырьём:



                      





Определение теплоты выделившейся в ходе реакции;

Определение числа молей смолы:



                                     



Определение тепла, приходящего в реактор:



	

	       

Определение теплоты уносимой из реактора готовой продукцией:



	



Потери 5% от ?Qприход, тогда:



	

	

Определение теплоты уносимой из реактора готовой продукцией с учётом тепло потерь:



	

	

Тогда уравнение теплового баланса:

	                                                         





Таблица 3- Тепловой баланс

Наименование компонента

Приход, кДж

Наименование компонента

Расход, кДж

Формалин, в т.ч.

628035

Смола

393792

вода

316652

Вода

513131

формальдегид

311383

Фенол

689

Фенол

224787

Теплопотери

68748

Едкий натр, в т.ч.

236553

Формальдегид

982

вода

159824

NaOH

718

NaOH

76729

Отводимое тепло

396900

Выделившаяся теплота 

285585





ИТОГО:

1374960



1374960





1.5 Определение объема и размеров аппарата

Технологический процесс происходит в реакторе периодического действия и если считать что реакция происходит в изотермическом режиме, то весь процесс можно разделить на несколько стадий:

Подготовка реактора к загрузке реагентов.

Загрузка реагентов в реактор.

Доведение условий проведения реакции (температуры, давления и т.д.) до заданных.

Проведение химического процесса до заданной глубины превращения.

Подготовка реактора к выгрузке продуктов реакции.

Выгрузка продуктов реакции из реактора.



Общий объем аппарата периодического действия определяется по формуле [4]: 



                                                            (1.12)


где G– суточный объем перерабатываемых веществ;

? – время технологического цикла, ч;

? – плотность реакционной массы, кг/м3;

?  – коэффициент заполнения аппарата.

Суточный объем перерабатываемых веществ равен - 86820 м3;

Коэффициент заполнения равен -  0,9;





Время цикла аппарата находится по формуле: 



                           ? = 0,5 + 0,5 + 8 + 0,5 + 1 + 1,5 = 12;                        (1.13)





где ?1 – время загрузки аппарата;

?2 – время подготовки исходных веществ к реакции;

?3 – время проведения химического процесса;

?4 – время подготовки к выгрузке продукта;

?5 – время выгрузки готового продукта;

?6 – время подготовки реактора к очередному циклу.







Принимаем объём реактора 48,5 м3 и диаметр реактора 3,4 м.



Объем аппарата найден, теперь необходимо определить его размеры. Для этого необходимо воспользоваться формулами расчета аппарата со змеевиком с шестилопастной мешалкой:



                                                                                        (1.14)

           

                                                                                     (1.15)

              

                                                                                        (1.16)



где Dмеш –диаметр мешалки, м;

Dтр –диаметр труб, м;

Rзм –расстояние между змеевиками, м.

 

Dмеш =1.25м; 



Dтр= 0,044*1,25=0,083м;



 Rзм = 0,32*1,25= 0,4м



По известному диаметру первого змеевика и расстояния между змеевиками необходимо подобрать аппарат, удовлетворяющий заданному объему:



D= 1.44*1.25=1,8м;

D= 1,875+0,4 =2.2м;

D= 2,275+0,4 =2.6м;

D=2,675+0,4 =3,0м;

D=3,075+0,4 =3,4м;



Допустим, что D=3,4 м это диаметр стенки, тогда высота аппарата будет равна:

                                            

                                                                         (1.17)



Дальнейшее увеличивать диаметра влечет за собой уменьшение высоты аппарата, громоздкость установки, подбора более мощного двигателя к мешалке, т.к. если перемешивание будет слабым, то это влечет за собой еще ряд последствий - слабый теплообмен, будет нарушена однородность смолы, а это в свою очередь скажется на анализах, при проведении реакции поликонденсации и приведет к плохому качеству смолы. 

    

    1.6 Определение расхода охлаждающего агента

Для определения расхода нагревающих или охлаждающих агентов пользуются уравнением теплового баланса: Qгор. = Qхол. [4]. Аппарат предназначен для охлаждения, то при вычислении тепловой нагрузки пользуются следующим уравнением: 



                                                                                            (1.18)



где g - количество горячего теплоносителя;

c - теплоемкость горячего теплоносителя;

T1- температуры теплоносителя на входе в аппарат;

 T2- температура теплоносителя на выходе из аппарата. 



                                   



Расход охлаждающего агента рассчитывают по уравнению:



                                                                                         (1.19)



Для определения расхода охлаждающегося агента необходим средний температурный напор и средняя конечная температура охлаждающего агента. Для этого конечную температуру охлаждающего агента, когда температура смолы составит 30°С, принимаем равной 28°С. тогда:



                                                                         (1.20)





В то же время можно определить конечную температуру воды в начале охлаждения



                                                    (1.21)



Определение среднего температурного напора:



         (1.22)



Найдя средний температурный напор, определяем среднюю температуру охлаждающего агента



                                (1.23)



Только после этого можно определить расход охлаждающего агента из уравнения (2.8)



                                          





1.7 Расчет гидравлического сопротивления охладителя

Расчет гидравлического сопротивления играет не маловажную роль при подборе типа охладителя, так как при определении гидравлического сопротивления добиваются условий, в которых скорость потока была оптимальна [4]. При неверном расчете скорость потока может быть не приемлема к данному охладителю, и охлаждение будет протекать медленно. Это может привести к большим расходам электроэнергии, охлаждающего агента, а самое главное к потере клеящих свойств смолы. Для расчетов используют следующую формулу:



                                                                                     (1.24)



где l – длина трубы, м;

d – диаметр трубы, м;

 - сумма коэффициентов местных сопротивлений;

W – массовая скорость, кг/м2?сек;

? – плотность, кг/м3;



Определение массовой скорости агента:



                                                (1.25)



Для определения коэффициента трения необходимо вычислить критерий Рейнольдса(Rе):



                                                            (1.26)

 

где W – массовая скорость, кг/м2?сек;

d – диаметр трубы, м; 

 - вязкость воды, Н•сек/м2;

Определение коэффициент трения:



                                        (1.27)



Далее необходимо определить суммой коэффициентов местных сопротивлений. Он равен 4

(11)

Коэффициент гидравлического сопротивления трубного пространства будет равен:

                     



Теперь нам необходимо найти гидравлическое сопротивление межтрубного пространства. Для этого также необходимо знать критерий Rе и массовую скорость смолы (клея). Так как мы знаем частоту вращения мешалки(n), то мы можем относительно легко определить критерий Rе, а затем и массовую скорость смолы:

                                        



где =3 - вязкость воды, Н•сек/м2;

n – частота вращения мешалки, 1/сек;

- плотность смолы.



                            (1.28)



где - Dт/провода в нашем случае равен Dаппарата

Определение коэффициента сопротивления с наружной стороны труб:



                           (1.29)



Сумма коэффициентов местных сопротивлений межтрубного пространства определяются по следующей формуле



                                                                           (1.30)



где m-число витков змеевиков;

Отсюда гидравлическое сопротивление межтрубного пространства будет равно:



      (1.31)



1.8 Определение поверхности теплообмена

Для определения поверхности теплообмена необходимо знать коэффициент теплоотдачи [4]:

                                                                                (1.32)



где  ?1-теплоотдача смолы;

?2-теплоотдача воды;

Rс-сумма сопротивлений;



Определение коэффициента теплоотдачи для воды. Для этого необходимо определить критерии Прандтля(Pr); Рейнольдса(Rе); Нуссельта(Nu).

Определение критерия Прандтля по формуле:

                                                                                                  (1.33)



где ? – вязкость воды;

с - удельная теплоемкость воды, Дж/кг*град;

? - теплопроводность воды; Вт/м*град.

Константы воды взяты при 28°С



                                   



Критерий Рейнольдса уже известен:



Критерий Рейнольдса намного меньше 10000, то режим движения жидкости ламинарный и для нахождения критерия Нуссельта необходимо воспользоваться формулой для расчета критерия Нуссельта в аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиками:

Для вычисления критерия Нуссельта следует воспользоваться следующей формулой:



                           



Далее мы определяем коэффициент теплоотдачи воды, Вт/м3*град;



	                                                                            (1.34)

		

Определение коэффициента теплоотдачи для смолы. 

Определение критерия Прандтля по формуле:



                                                                                                  (1.35)



где ? – вязкость смолы; ? =0,3,

с - удельная теплоемкость смолы; с =2843 Дж/кг*град

? - теплопроводность смолы; ? =2,12 Вт/м*град



                                           



Критерий Рейнольдса для смолы уже известен: 









Критерий Рейнольдса намного меньше 10000, то режим движения жидкости ламинарный и для нахождения критерия Нуссельта необходимо воспользоваться формулой для расчета критерия Нуссельта в аппаратах, оборудованных мешалкой и змеевиками:



                        

  

Далее мы определяем коэффициент теплоотдачи смолы. Он равен:



                                (1.36)



где D-диаметр сосуда, м;

?-теплопроводность смолы, ;

Теперь необходимо определить сумму местных сопротивлений, они складываются из сопротивлений со стороны воды и со стороны охлаждающейся смолы. Сопротивление со стороны воды принимаем R=0,00018 м2*град/Вт; ?=0,004 м; ?=45 Вт/м2*град, тогда сумма сопротивлений со стороны воды будет равно:

                      

                              R =0,004/45+0,00018=0,00019                                   (1.37)



Теперь необходимо найти сопротивление со стороны смолы, т.к. смола — это органическая жидкость, то коэффициент сопротивления: 

Rсмолы = 0,00018

Тогда сумма местных сопротивлений будет 

Rсум = 0,00018+0,00019

Теперь есть возможность определить коэффициент теплопередачи, т.к. все неизвестные для его определения найдены: 







Далее рассчитываем необходимую для нашего охладителя поверхность теплообмена и необходимую длину труб. 

  

                                                                                         (1.38)



где k-коэффициент теплопередачи, Вт/м2*град;

с - удельная теплопроводность смолы; с=2843 Дж/кг*град   

 - время охлаждения;

Qср - средний температурный напор (он уже известен);



                                               



                                                                  (1.39)



Отсюда следует, что длина одного змеевика:



                                                                                         (1.40)



1.9 Расчет мощности двигателя мешалки

Основным аппаратом в производстве фенолоформальдегидных смол является реактор синтеза. В процессе синтеза для перемешивания загружаемого сырья необходимо установить мешалку с электродвигателем с определёнными параметрами.

	Расчет мощности привода мешалки для реактора;

Dап=3,4м диаметр аппарата;

H=4200 мм высота продукта в аппарате;

dмеш=1,250м диаметр мешалки;

bлоп =0,15 м ширина лопасти;

Для подбора эл. двигателя необходимо знать критерий Re, с помощью которого можно определить коэффициент сопротивления.



                                                                   (1.41)

где n – частота вращения, 1/сек;

 - плотность смолы, кг/м3;

 - вязкость смолы.



Далее по модельной шестигранной мешалке с характеристиками D/d=1,4; H/D=1м; b/d=0,066 выбрана величина коэффициента сопротивления, он равен:



т.к. среда не идеальная, необходимо определить условия работы мешалки 

D/d=2,8; H/D=1,2; b/d=0,12.

Далее рассчитываем коэффициент сопротивления учитывая сопротивление аппарата – fф; fh – сопротивление высоты к диаметру мешалки; fb – сопротивление ширины лопасти к диаметру мешалки.

                                                                                       (1.42)



                                                                                          (1.43)



                                                                                     (1.44)



Определение полного коэффициента сопротивления:



                                                   С=0,98?2,8?1,1?1,2=3,6;                       (1.45)



Рабочая мощность, потребляемая мешалкой, определяется по формуле: 



                                   (1.46)



Определение мощности электродвигателя по формуле:



                                      (1.47)

где -коэффициент запаса мощности;

Необходимая мощность привода с учетом пусковых нагрузок:

 

                                                         (1.48)



Где -коэффициент пусковых нагрузок.



















































2.Расчеты на прочность

2.1 Исходные данные

Корпус аппарата состоит из цилиндрической обечайки, днища и крышки. Для нагревания или охлаждения обрабатываемых в аппарате продуктов аппарат снабжён приварной рубашкой. Типы и основные размеры емкостных аппаратов стандартизованы. Основными параметрами для выбора размеров корпуса являются внутренний номинальный объём V и внутренний диаметр D.

Объем аппарата 45,2м?

Температура 110С

Площадь теплообмена 110 м2

Материал AISI 304L

Проектное давление 0,1 МПа

Давление в рубашке давление 0,11 МПа

Внутренний диаметр Dв = 3200 мм

Внутренний диаметр рубашки Dр = 3300 мм

Длина цилиндрической части L = 5500 мм



Рисунок 1 - Общий вид аппарата











2.2 Расчет цилиндрической обечайки

Расчет обечаек, нагруженных избыточным внутренним давлением. 

Толщину стенок определяют по формулам:

                                                  (2.1)



Исполнительная толщина:



                                                     (2.2)



где  - давление в аппарате, МПа;

 - расчетное значение толщины стенки, мм; 

 - коэффициент сварного шва, для стыковых и тавровых двухсторонних швов;

 - допускаемое напряжение для стали AISI 304L

		Прибавка на коррозию определяется по формуле:

		

		                                                  (2.3)

		

		где:  срок службы аппарата, год;

		

		

		

		Для материалов, стойких к перерабатываемой среде или при отсутствии данных о проницаемости рекомендуют принимать 

		

мм





Принимается 8 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:



                                            (2.4)



МПа.



2.3 Расчет цилиндрической обечайки, нагруженной наружным давлением 



Под наружным давлением находятся вакуумные аппараты и аппараты с рубашками. Тонкостенные обечайки под действием наружного давления могут потерять первоначальную форму (устойчивость) с образованием нескольких волн смятия. Давление, при котором оболочка начнет деформироваться, называется критическим.

Толщина стенки обечайки, нагруженной наружным давлением, приближенно определяется по формуле:



                                                (2.5)



где  - давление в рубашке.

 Полученное значение толщины стенки.......................