органика. Полиэтилен ПЗ. Введение Литературный обзор
 Скачать 0.9 Mb.
|
|
РАСЧЕТНАЯ ЧАСТЬ 3.1 Материальный баланс При заданной производительности одной из двух технологических линий по гранулированному полиэтилену GПЭ = 350000 т/год, на основании данных использования рабочего времени принимаем число часов работы в году Z = 8000 часов и рассчитываем часовую производительность, кг/ч:  С учетом получения некондиционного полимера на стадии экструзии (0,1 %) [12] необходимо получить порошка ПЭ: 43750·1,001 = 43793,75 кг/час Количество потерь полимера на стадии экструзии: 43793,75 – 43750 = 43,75 кг/час С учетом потерь мелкодисперсного порошка на стадии дегазации (0,09 %) [12] необходимо получить порошка ПЭ: 43793,750 ·1,0009 = 43833,164 кг/час Количество потерь полимера на стадии дегазации: 43833,164 – 43793,750 = 39,414 кг/час Материальный баланс 1 линии производства ПЭВП представлен в таблице 4. Таблица 5 - Материальный баланс
3.2 Тепловой баланс Для определения количества необходимой деминерализованной воды для охлаждения реакторов рассчитаем тепловые потоки реактора.  где Q1 - тепловой поток этилена на реакцию; Q2 - тепловой поток водорода; Qхр - Тепловой эффект химической реакции; Q3 - тепловой поток уходящего газа; Qп - тепловой поток порошка; Qисп - тeплoвoй поток испарившейся деминерализованной воды; Qпот - теплопотери. Приход тепла с этиленом:  где G1 - поток этилена на полимеризацию, кг/с; c1 - удельная теплоемкость этилена, равная 1528 Дж/(кг К); T1 - Температура этилена, с которой он поступает в реактор полимеризации, примем равной 34 °С (307 К); Gэ - поток этана в составе этилена, кг/с; сэ - удельная теплоемкость этана, равная 1729 Дж/(кг К).  Тепловой поток, который поступает с водородом:  где G2 - поток водорода, кг/с; c2 - удельная теплоемкость водорода при 311 К, равная 15668,5 Дж/(кг-К); Т -температура водорода, с которой он поступает в реактор полимеризации, примем равной 38 °С (311 К). Малым содержанием азота в потоке водорода можно пренебречь.  Тепловой эффект реакции:  где Gп - количество образующегося полиэтилена, кг/с; q - тепловой эффект полимеризации, равный 3900 кДж/кг.  Тепловой эффект выходящего потока полиэтилена:  где cпэ - удельная теплоемкость полимера, Дж/(кг-К), равная 2450; Tпэ’ - температура полимера на выходе из реактора, К, равная 353.  Теплопотери в окружающую среду принимаем 1 % от общего прихода (расхода):  В зависимости от количества хладоагента из реактора будет выходить поток газа (Т = 80 °С = 353 К) со следующим тепловым потоком:   Теплота, затрачиваемая на испарение:  где r удельная теплота парообразования, равная 276 кДж/кг. Подставляем получившееся значение в уравнение теплового потока и выражаем Gкв:    Получившиеся значения сводим в таблицу 5. Таблица 5 Тепловой баланс
Таким образом, в реактор подают дополнительно 53733,93 кг/ч деминерализованной воды для отвода теплоты реакции при испарении. 3.3 Технологический расчет основного и вспомогательного оборудования Расчет реактора полимеризации Основные характеристики реактора: - вместимость - 113 м3; - длина реакторной зоны - 70150 мм; - диаметр наружный - 711 мм; - расчетная температура среды - 80 °С. Для нормальной работы данного вида реактора необходимо, чтобы объем порошка заполнял 70 % - 90 % объема реактора [13]. Это необходимо, чтобы обеспечивать хорошее перемешивание порошка. Примем для расчета значение 80 %. Тогда определим объем, занимаемый порошком:  Время пребывания порошка в ректорах данного типа варьируется от 100 до 140 минут, произведем расчет при 110 мин. Объем, который будет занимать порошок при данном времени пребывания и заданной производительности по полимеру 43833,164 кг/ч рассчитывается по формуле:  где G - массовый расход полимера, кг/ч; τ - время пребывания порошка в реакторе, ч; ρ - плотность порошка в реакторе. Насыпная плотность полимера составляет 440-520 кг/м3. Примем значение 480 кг/м3.  Таким образом, объема одного реактора не хватит, чтобы обеспечить требуемое время пребывания порошка для получения полимера нужной характеристики. Зная объем, который может занимать порошок для нормальной работы реактора, определим количество необходимых реакторов:  Принимаем два реактора. Тогда один реактор будет заполнен порошком на следующий объем:  Что соответствует следующей загрузке реактора:  Данное значение соответствует оптимальной работе реактора. Диаметры штуцеров определяются из уравнения расхода по допустимой скорости потока:  где G - массовый расход полимера, кг/ч; р - плотность среды, кг/мэ; w - скорость потока, м/с. Массовый поток квенча для одного реактора составляет:  Тогда массовый поток квенча в одну форсунку составляет:  Также в форсунки подачи катализатора необходимо добавить поток катализатора:  Расход практически не увеличивается, поэтому можно принять форсунки одинакового диаметра. Также поступаем и с форсунками сокатализатора, т.к. расход каталитической системы незначителен. Плотность смеси при данных условиях составляет 378,44 кг/м3, плотностью каталитической системы ввиду ее малого расхода можно пренебречь. Скорость потока примем 4 м/с. Тогда диаметр штуцеров равен:  По рассчитанному значению диаметра принимаем стандартный диаметр по ГОСТ 16045-70, равный dтрш = 50 мм. Подача газа рецикла осуществляется равномерно через 2 форсунки в реактор. Расход газа рецикла для одного реактора составляет 2648 кг/ч или 0,74 кг/с. Массовый расход газа в одну форсунку:  Массовый расход отходящих газов реактора составляет 159935,33 кг/ч. Для одного реактора:  Можно считать, что газ состоит полностью из этилена, так как малое содержание других газов не повлияет на размер штуцера. Скорость газа принимаем 10 м/с. Отходящие газы выходят из двух штуцеров, тогда массовый расход газа для одного штуцера будет составлять:  Определяем диаметр штуцера:  Оставляем стандартизованное значение dтрш = 250 мм. Порошок выгружается из реактора периодически, поддерживая необходимый уровень заполнения. Из-за разницы давления в реакторе порошок транспортируется с мгновенной скоростью. Выдерживается определенное время открытого клапана, чтобы обеспечить необходимую подачу порошка. Расход порошка составляет 50413,17 кг/ч или 19,14 кг/с. Примем скорость 20 м/с. Насыпную плотность примем 440 кг/м3, тогда:  На случай аварийной выгрузки порошка примем диаметр 100 мм. На выгрузку устанавливается два трубопровода - один на случай неисправности основного коллектора. 3.3.1 Расчет подогревателей суспензии Расчет нагревателя включает в себя определение необходимой поверхности теплообмена и основные размеры аппарата. Подогреватель представляет из себя вертикальный теплообменный аппарат типа «труба в трубе». Во внутренней трубе находится суспензия полиэтилена, в наружной - пар очень низкого давления. Примем в качестве агента пар очень низкого давления (ОНД). Начальную температуру примем равной 125 °С, а конечную равной 86 °С. По расчетам необходимо подать в наружную трубу 3410 кг/ч пара ОНД, а во внутреннюю трубу 48063 кг/ч суспензии ПЭ. Таким образом, необходимо сконденсировать следующую часть:  Теплота, которую нужно подвести:  где q - удельная теплота конденсации пара ОНД, равная 2300 кДж/кг. Поверхность теплообмена определим из следующего соотношения:  где К - коэффициент теплопередачи, Вт/м2 град; Δtcp - средний температурный напор, °С. Средний температурный напор определяется по формуле Грасгоффа:  Для упрощения будем считать, что разбавитель состоит на 100 % из изобутана, так как содержание других компонентов незначительно и никак не повлияет на итоговый выбор теплообменника с нужной площадью теплообмена.    На основании практических данных принимаем коэффициент теплопередачи К = 750 Bт/м2град. Тогда рассчитаем ориентировочную площадь теплообмена:  3.3.2 Расчет сепаратора высокого давления Можно считать, что в сепаратор поступает двухкомпонентная фаза, состоящая из порошка ПЭ и разбавителя. Материальный поток линии составляет:  Определим требуемую производительность сепаратора по пару и по порошку. Объемный расход определяется следующим образом:  где G - массовый расход, кг/ч; ρ - плотность среды, кг/м3 В сепараторе отделяется порядка 10 % разбавителя. Плотность газообразного изобутана при 1,35 MПa и 87 °С составляет 2,503 кг/м3. Плотность порошка ПЭ при этих же условия составляет 600 кг/м3. Требуемая производительность по газу составит:  Требуемая производительность по жидкости:  3.3.3 Расчет дегазатора В дегазаторе происходит отдувка из порошка остаточного количества углеводородов продувочным газом. Первый продувочный газ вводится в верхнюю часть дегазатора и представляет собой смесь азота с газообразными легкими углеводородами. В нижнюю часть дегазатора подается чистый азот, при этом образуется высокоэффективная продувочная среда, в которой создается противоток и градиент продувки. Колонна не имеет внутренних частей, за исключением газораспредели- теля внизу колонны. Поэтому высота колонны зависит от времени пребывания порошка в ней. Основываясь на ряде исследований, проведенных INEOS по оптимизации промышленных продувочных колонн, расход продувочного газа в объеме от 7 до 44 кг N2/т полимера, изменение времени пребывания от 1 до 3 часов не оказывает существенного влияния на количество летучих соединений, остающихся в порошке. Вместе с тем, количество летучих соединений увеличивается, если время пребывания составляет менее 1 часа. Для данной установки расчетное время пребывания составляет два часа и начинается на расстоянии 875 мм от основания газораспределителя (или на расстоянии 1925 мм от нижней касательной линии дегазатора). Эта линия известна как линия отсчета достаточной дегазации. Необходимо поддерживать такой уровень в колонне, чтобы время пребывания составляло 2 часа. Последствием снижения уровня порошка является недостаточная дегазация. Соотношение времени пребывания и производительности в цилиндрической части продувочной колонны определяется по следующей формуле:  где S - площадь сечения колонны, м; L - высота колонны, м; Vp - объемная производительность, м3/ч. Для обеспечения безопасности в случае аварийных ситуаций, а также для гибкости технологического процесса при производстве разных сортов полимеров, проведем расчет высоты при времени пребывания порошка - 2,5 часа:  3.3.4 Расчет циркуляционного насоса реактора полимеризации Рассчитаем насос H-3, предназначенный для циркуляции реакционной смеси и подачи в реактор. Полный напор насоса находится по следующей формуле:  где Рвых, Рвх давления на нагнетающем и всасывающем патрубках соответственно, Па; ρ - плотность смеси при 2,2 MПa и 80 °С, равная 378,44 кг/м3; Нг - геометрическая высота или высота нагнетания. Зависит от того, на какую высоту необходимо перекачивать жидкость, то есть от расположения реактора относительно насоса. На предприятии насос и реактор находятся на одном уровне; hп - потерянный напор на всасывающем и нагнетающем патрубках. Зависит от количества отводов, вентилей, задвижек и других фитингов, и арматуры. Точно рассчитать эту величину можно, зная расположение обвязки и количество арматуры на трубопроводах. Для расчетов примем значение 3 м. Тогда необходимый напор насоса будет следующим:  Полезная мощность насоса:  где V - объемный расход смеси, равный 6,57 м3/с. Мощность насоса на валу:  где ηН - к.п.д. насоса.Мощность, потребляемая электродвигателем насоса:  гдe ηпер – к.п.д. пepeдaчи от электродвигателя; ηдв - к.п.д. двигателя. Примем ηпер· ηдв = 0,9. Установочная мощность двигателя:  Коэффициент запаса мощности β для Nдв более 50 кВт равен 1,1  4. Безопасность и экологичность производства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||