Проект производства формалина (стр. 18 из 23)

Материальный баланс реактора [таб. 16.3]

Приход спирто-воздушной смеси [м³/ч] составляет:

(18.4)

V = 25302,74/0,9923 = 25499,08 м³/ч.

Зададимся линейной скоростью исходной газовой смеси ω = 0,8 м/с

Определяем диаметр реакционной зоны:

(18.5)

где, S – 0,785 D² – площадь поперечного сечения реакционной зоны, м²;

D – диаметр реактора, м.

Принимаем D = 3,00 м.

Площадь сечения реактора S_P = 0,785 3,0² = 7,065 м².

Реакторы с катализатором в очень тонком слое в виде металлических сит используют для проведения реакций, протекающих с большой скоростью.

Установлено, что скорость процесса определяется скоростью диффузии от контактной поверхности катализатора. Это явление было описано Андрусовым, который сравнивая количество реагирующего метанола и метанола, проникающего путем диффузии до поверхности серебряных сит, установил, что они равны между собой.

Количество метанола, диффундирующего к поверхности катализатора, можно рассчитать, если известен коэффициент переноса массы, допустив при этом, что концентрация метанола на поверхности контакта рана нулю, т.е. скорость реакции настолько велика, что метанол непосредственно достигает контакта с серебром.

Расчет проводится для слоя катализатора с сечением 1 см² и толщиной l образованный рядами сеток из серебряной проволоки.

Характеристика катализатора из серебра (сита):

проволоки ТУ 48 – 1 – 112 – 85;

толщина проволоки, мм – 0,22;

число ячеек на 1 см² – 225.

Для определения коэффициентов диффузии устанавливаем с помощью материального баланса состав конечной газовой смеси. Рассчитаем производительность реактора на 1 м² поверхности катализатора.

Производительность по метанолу составит:

Массовая скорость всей газовой смеси:

Результаты расчета в таблице 18.2.

Таблица 18.2 – Конечный состав газовой смеси

Приход	кг/м²ч	%	Расход	кг/м²ч	%
Контактирование
Смесь воздух – метанол, в т.ч.:формальдегидметанолводаазоткислород	3581,423,221820,6341,541220,19495,67	1000,0950,841,1634,0713,84	Контактные газы, в т.ч.:формальдегидметанолводауглекислый газокись углеродаводородазот	3581,42832,32787,91456,99114,2511,8220,771357,36	10023,242212,763,190,330,5837,9

Для определения высоты слоя катализатора воспользуемся методом расчета скорости каталитического процесса, лимитируемого массообменом.

По этому методу определяем высоту единицы переноса СН₃ОН (ВЕП) и число единиц переноса (Z) по формулам:

(18.6)

где, S_уд – удельная поверхность катализатора, [м²/м³];

k_М – коэффициент массопередачи, [м/ч];

P_r – критерий Прандля .

С этой целью находим физико – химические константы исходной и конечной газовой смеси – плотности ρ_г [кг/м³], динамические коэффициенты вязкости μ_г [кг/мч], коэффициенты диффузии D [см²/с].

Значение плотностей и вязкостей компонентов смесей при начальной температуре и температуре в зоне реакции в таблице 18.1.

Коэффициенты диффузии находим последующим соотношениям, определяемым общими закономерностями диффузии газов. Для диффузии газа А в газ В.

(18.7)

где, υ_А, υ_В – мольные объемы газов А и В, [см³/моль];

М_А, М_В – молекулярные массы газов А и В;

Р – общее давление.

Для расчета принимаем следующие значения мольных объемов [см³/моль], [ 1, с. 288, таб. 6.3]:

СН₃OH – 37; N₂ – 31,2;

CH₂O – 29,37; H₂ – 14,3;

H₂O – 18,9; CO – 29,6;

O₂ – 25,6; CO₂ – 34.

Коэффициенты диффузии D_Асм для газа А, диффундирующего через смесь газов (В + С), вычисляем по формуле:

(18.8)

где, N_A, N_B, N_C – мольные доли компонентов в газовой смеси;

D_AB, D_AC – коэффициенты диффузии для бинарных газовых смесей.

Рассчитанные таким путем коэффициенты диффузии метанола и других компонентов исходного и конечного газов процесса окисление метанола в бинарных газовых смесях, а так же значение коэффициентов диффузии метанола D_СН3ОН [см²/с] в начальной и конечной газовой смеси в таблице 18.3.

Таблица 18.3 – Коэффициенты диффузии

D_CH₃_OH_,_O₂0,0714		D_CH₃_OH0,0688		D_CH₃_OH_,_H₂_O0,0912	100^oC
D_O_2,_N₂0,0785		D_N_2,_H₂_O0,103		D_O_2,_H₂_O0,105
D_CH₃_OH → (O₂, N₂, H₂O) = 0,0747
D_CH₃_OH_,_CH₂_O0,250	D_CO_2,_CO0,387	D_CH₂_O_,_CO₂0,252	D_CO_,_N₂0,294	D_H₂_O_,_N₂0,389	650^oC
D_CH₃_OH_,_CO0,271	D_CO_,_H₂1,03	D_CH₂_O_,_N0,293	D_CH₃_OH_,_CO₂0,230	D_H₂_O_,_CO₂0,344
D_CH₂_O_,_H₂1,048	D_CH₃_OH_,_H₂_O0,355	D_H₂_O_,_H₂1,26	D_CH₃_OH_,_N₂0,271	D_H₂_O_,_H₂1,02
D_H₂_O_,_CO0,356	D_CH₃_OH_,_H₂0,710	D_CO_2,_N₂0,255	D_CH₂_O_,_CO0,292	D_H_2,_N₂1,04
D_CH3OH → (CH₂O, H₂O, CO₂, CO, H₂, N₂) = 0,166

Среднюю вязкость газовой смеси рассчитываем по уравнению:

(18.9)

где, N₁, N₂, N₃, … - мольные доли компонентов в газе.

Получаем μ_r [Па г]

при 100^оС – 7 10^-2;

при 650^оС – 8,75 10^-2.

Для расчета величин ВЕП и Z принимаем, что слой сеток серебряного катализатора подобен слою насадки колей Рашига с d = h = 0,22 мм (аналогично диаметру проволоки) для таких колец эквивалентный диаметр

(18.10)

Удельная поверхность колец S_уд = 7,8419*10³ м²/м³.

Для расчета ВЕП определяем значения критерия Рейнольдца Re и диффузного критерия Прандтля Pr:

(18.11)

(18.12)

Подставляя наши данные, имеем:

Коэффициент массопередачи находим по формуле:

(18.13)

По нашим данным находим ВЕП:

(18.14)

Число единиц переноса массы Z:

(18.15)

где, β – изменение числа молей в результате реакции рассчитанное на 1 моль метанола;

С_{СН3ОНвх}, С_{СН3ОНвых} – концентрация метанола в газе, на входе и выходе из реактора, мол. доли.

Принимаем Z ≈ 1, тогда высота слоя катализатора равна:

Н = ВЕП Z = 0,41 = 0,4 м. (18.16)

Приняв коэффициент запаса φ_з = 1,5 (с учетом того, что доступная для реагентов поверхность слоя из колец больше приблизительно в 1,5 раза поверхности проволочных сеток), получим:

Н = 0,4 1,5 = 0,6 м.

При диаметре проволоки 0,22 мм достаточно 0,6/0,22 = 2,73 сетки.

На практике берут с запасом, хотя в работе нужны 4 сетки. Берут еще одну сетку, т.к. верхняя сетка быстро прогорает вследствии уноса серебра.

17.2 Технологический расчет подконтактного холодильника

Целью расчета является определение запаса поверхности теплопередачи при новой производительности. Расчеты будем проводить согласно методике, предложенной в [9], где рассматривается аналогичный случай.

Подконтактный холодильник предназначен для быстрого охлаждения контактного газа до температуры 140 – 200°С во избежании разложения образовавшегося формальдегида.

Для установки выбран стальной вертикальный кожухотрубчатый теплообменник с противоточным движением теплоносителя в межтрубном пространстве и контактного газа в трубном пространстве. Теплоноситель – паровой конденсат (Р = 0,3,2 МПа, t = 133°С).