Технологический и механический расчет реактора

2 Технологический расчет

2.1 Объем и высота первой реакционной зоны реактора

Объем реакционной зоны реактора должен обеспечить время контакта паров сырья с катализатором на уровне 5-8 секунд. Объем первой реакционной зоны определяется по уравнению:

VZ1 = TR • VC, (1)

где VZ1 — объем первой зоны, м³;

TR — время контакта, секунды; принимаем TR = 5,5 с;

VC — средний объемный расход продуктов через первую зону, м³/с

VC = 2

VE — объемный расход продуктов на выходе из первой зоны, м³/с;

где ТХ — температура выхода продуктов из зоны, К;

ТХ = 796 К;

Gi — выход продуктов, кг/ч;

Mi — молярная масса продуктов;

290 — давление смеси на выходе из первой зоны, кПа;

1400 — плотность частиц катализатора, кг/м³;

GK — расход катализатора через зону, кг/ч.

Следовательно, объем первой реакционной зоны реактора равен:

[IMAGE_1]

Высота первой зоны определяется из уравнения:

HZ=VZI/S=10,5м – площадь живого сечения реактора в первой зоне, м²,

S = 17,58 м².

Диаметр реактора в первой реакционной зоне

Диаметр реактора для первой зоны определяется по уравнению:

[IMAGE_2]

SS – сечение реактора, занятое стояками катализатора, м²;

V – объемный расход смеси паров сырья водяного пара и катализатора, поступающей в реактор из стояка катализатора, м³/с;

W – допустимая скорость смеси в переходной зоне от псевдоожиженного слоя до зоны отпарки.

W = 0,6 м/с.

Объемный расход паров сырья, водяного пара и катализатора определяется по формуле:

[IMAGE_3] (2)

GK – расход циркулирующего катализатора, кг/ч;

РК – плотность частиц катализатора, кг;

РК = 1400 кг/м³;

GC – расход паров сырья, кг/ч;

GC = 60000000 кг/ч;

МС – молярная масса сырья, МС = 429;

VП – расход пара, кг/ч, VП = 19 500 кг/ч;

ТЕ – температура смеси, поступающей в реактор, К;

ТЕ = 603 К = 330°С;

Р – давление в первой зоне, кПа, Р = 2,45 МПа.

При этом расходе смеси живое (свободное) сечение реактора для первой зоны должно быть

S = 12,55/0,6 = 20,92 м³

Часть площадки сечения реактора (SS) занята стояками, по которым, выделенный в сепарационном устройстве, закоксованный катализатор поступает в отпарную зону реактора.

Площадь сечения стояков определяется по формуле:

[IMAGE_4] (3)

VK – объемный расход катализатора, проходящего через стояк, м³/с;

W – скорость движения потока катализатора в стояке, м/с.

Принимаем, что в сепарационном устройстве выделяется 90% катализатора выходящего из реактора, т.е. 6000000 · 0,9 = 54000000 кг/ч

W = 0,4 м/с.

7200 – принятая насыпная плотность катализатора, кг/м³.

Следовательно, истинная площадь сечения реактора составляет: SR=S + SS = 15 м²

Для перетока отработанного катализатора, выделенного из продуктов реакции на их выходе из реактора в сепарационном устройстве, принимаем 4 стояка.

Тогда диаметр стояка равен:

dS = (5,2/4*0,785)0,5 = 1,28 м

где 1,42 — сечение четырех стояков, м²;

4 — количество стояков.

Диаметр реактора в первой реакционной зоне будет равен, в соответствии с уравнением 1: dR= 2,4м

3 Механические расчеты

3.1 Расчет толщины стенки цилиндрической обечайки реактора, диаметром 2400мм

Толщину стенки рассчитываем по формулам:

s ≥ sР+с

где [IMAGE_5] (4)

где sР – расчетная толщина стенки, мм;

p – внутреннее избыточное давление (в нашем случае оно равно давлению внутри аппарата p = 2,45 МПа);

D – диаметр обечайки (D =2,4 м);

[] – допускаемое напряжение при расчетной температуре, МПа;

φр – расчетный коэффициент прочности сварного шва.

Принимаем вид сварного шва – стыковой с двусторонним сплошным проваром, выполняемый автоматической и полуавтоматической сваркой.

Найдем значение коэффициента прочности φр =1,0.

0,022 м

s = 22,0 + 0,5 = 22,5 мм

Принимаем толщину стенки s = 26 мм.

Допускаемое избыточное внутреннее давление будет равным:

2,35 МПа.

Определим допускаемое наружное давление по формуле :

[IMAGE_6] (5)

где допускаемое давление из условий прочности определяем по формуле:

2,35 МПа

Допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяем по формуле 15 [18]:

[IMAGE_7]

где , расчетная длина обечайки l=L1+l3эл+l3кон+L2+l3сф, ; 7,14м; ; l=2,0+0,167+7,14+1,8+0,267=10,374м

4,9

значит, выбираем B1 = 1.

0,398 МПа

0,388 МПа

Принимаем толщину стенки корпуса s=16мм.

Толщина стенки обечайки нагруженной осевым растягивающим усилием должна соответствовать условию:

[IMAGE_8]

где 0,0066 м

Осевое растягивающее усилие:

4,62 МН.

Допускаемое осевое растягивающее усилие:

[IMAGE_9] =10,82 МН ≥4,62 МН.

Условия s≥sp+c и [F]≥F выполняются.

Осевое сжимающее усилие рассчитываем по формуле:

[IMAGE_10] (6)

Допускаемое осевое сжимающее усилие:

— из условия прочности

3,14∙(2+0,026-0,0005)∙(0,026-0,0005)∙112=10,99 МН

— в пределах упругости из условия устойчивости

[F]Е = min{[F]E1;[F]E2}

но при условии l/D=4,374/2,0=2,187<10 [F]Е = [F]E1 ,

тогда [F]E1 находим по формуле [20]

[IMAGE_11] (7)

51,91 МН

с учетом обоих условий по формуле [17]:

[IMAGE_12] =10,75 МН

3.2 Расчет на прочность эллиптической крышки аппарата

Расчет толщины стенки эллиптической крышки, нагруженного избыточным внутренним давлением.

Толщину стенки крышки рассчитываем по формулам

[IMAGE_13], где [IMAGE_14]

, R=D с Н=0,25D.

[IMAGE_15]

s1 = 14,6+0,5 = 15,1 мм

Принимаем толщину крышки s1 = 16 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление рассчитаем по формуле:

1,5564 МПа

Проведем проверку на необходимость укрепления отверстия для штуцера.

Согласно формуле

0,1303 м

где Dp=2D=2∙2=4 м при х=0 согласно.

Толщину стенки крышки, при которой не требуется укрепление отверстия, определим подбором:

0,5498 м.

Исполнительная толщина крышки аппарата принимается s1=25 мм.

Допускаемое внутреннее избыточное давление:

2,4546 МПа

Согласно ГОСТ 6533-78 по таблице 7.2 принимаем h1=60 мм.

Проведем проверочный расчет :

0,8=0,8∙177,09>h1.

Согласно условиям п. 3.3.1.4. [20] принимаем толщину стенки 25мм.

Толщину стенки днища рассчитываем по формулам [20]

[IMAGE_16] (8)

где Кэ=0,9 для предварительного расчета.

{0,0040;0,0009}=4,0 мм.

Дальнейший расчет проводим из условия толщины стенки s1=25 мм.

Определим допускаемое наружное давление по формуле:

[IMAGE_17] (9)

где допускаемое давление p из условия прочности:

2,73 МПа,

допускаемое давление [p]Е из условия устойчивости в пределах упругости:

3,73 МПа,

где Кэ=0,91,

0,18.

Допускаемое наружное давление:

1,78 МПа

Проверяем условие :

— условие соблюдается.

Принимаем эллиптическое днище с отбортовкой h1=60 мм толщиной стенки s1=25 мм по ГОСТ 6533-78.

3.3 Расчет массы аппарата и подбор опор

Массу аппарата определяем как массу корпуса аппарата и массу воды, заливаемой для гидравлического испытания аппарата.

Масса крышки со штуцером и фланцами

Площадь поверхности крышки Fк=4,71 м² [18].

Мк=Fк∙s∙ρ=4,71∙0,025∙7850=924,34 кг

Массу штуцера и фланца принимаем 45 кг

Масса фланца крышки Мфк = (3,14∙2,185²∙0,1/4-3,14∙2²∙0,1/4)∙7850=477,10 кг.

Общая масса М1=924+45+477=1446 кг

Масса обечайки диаметром 2400мм

Мо2400=(3,14∙2,032²∙1,2/4-3,14∙2²∙1,2/4)∙7850=954,09 кг.

Масса фланца обечайки Мфо= Мфк=477 кг

Общая масса М2=954+477=1431 кг

Масса днища со штуцером и фланцем

Площадь поверхности днища Fд=2,15 м² [18].

Мд=Fд∙s∙ρ=2,15∙0,012∙7850=202,53 кг

Массу штуцера и фланца принимаем 20 кг

Общая масса М5=202+20=222 кг

Общая масса аппарата М=1446+1431+1186+858+222=5143 кг

3.3.1 Объем аппарата

Объем эллиптической крышки примем как объем сферической крышки

V1=2∙3,14∙1³/3=2,09 м³

Объем обечайки диаметром 2400мм

Vо2000=3,14∙2²∙1,2/4=3,77 м³.

Объем днища

V5=2∙3,14∙0,8³/3=1,07 м³

V=2,9+3,77+3,06+3,62+1,07=14,42 м³

Масса воды Мв=14,42∙1000=14420 кг

Общая масса аппарата М=5143+14420=19563 кг

Принимаем округленно 20000кг

3.3.3 Подбор опор аппарата

Сила с которой аппарат воздействует на опоры Qо=20000∙9,81=196200 Н

Принимаем количество опор для аппарата — 4, тогда сила действующая на одну опору Q=196200/4=49050 Н=49 кН

Согласно табл. 14.1 [19] принимаем опору типа 1 (лапа) с накладным листом по ОСТ 26-665-79.

К корпусу реактора приварен опорный пояс из стали 10Х2М1А-А, которым реактор свободно опирается на коническую обечайку опоры.

Опора 1-6300 ОСТ 26-665-79 имеет следующие типоразмеры, мм

Q, к	а	а1	b	с	с1	h	h1	s1	K	K1	d	dб	f
63,0	185	230	230	60	130	360	24	12	35	70	35	M30	60

Подбор прокладки и изоляции

Определим необходимую толщину слоя изоляции аппарата, внутри которого температура 330 0С. Примем температуру окружающего воздуха t=10 0С. Изоляционный(прокладка) материал – совелит.

Найдем коэффициент теплоотдачи в окружающую среду конвекцией:

α=9.74+0.07(tст- tвозд)= 9.74 + 0.07(35-10)=11.49 Вт/м²*К

tст — температура со стороны окружающей среды, tст= 35 0С;

Найдем удельный тепловой поток:

q= α(tст- tвозд)=11.49(35-10)= 287.25 Вт/м²

Принимая, что все термическое сопротивление сосредоточено в слое прокладки, можно записать:

q= la(tст- tвозд)/b

где la= 0.098 – теплопроводность совелита,

b= la(tст- tвозд)/q = 0.098(330-10)/287,25 = 0,11 м – толщина прокладки

Расчет штуцеров и фланцев

Расчет штуцеров сводится к диаметру штуцера:

[IMAGE_18]

ω – скорость жидкости 2м/с, скорость пара 20м/с.

[IMAGE_19] – Штуцер с приварным фланцем

VF = GF/F = 5,0/900,5 = 0,005 м³/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 89мм, с условным проходом Dу=80 мм.

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 45мм, с условным проходом Dу=40мм.

Vw = Gw= 3,28 м³/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 57мм, с условным проходом Dу=50мм.

V = GW/П

П = 2,1кг/м³ — плотность газа внизу колонны

V=3,28/2,1=1,56 м³/с

По ОСТ 26-1404-76 примем штуцер с наружным диаметром 377мм с условным проходом Dу=350мм.

Все штуцера снабжаются плоскими приварными фланцами по ГОСТ 1255-67

[IMAGE_20] – Фланец штуцера

Список штуцеров

Назначение штуцера	Условный проход, мм	Наружный диаметр, мм	Число болтов, шт	Размер болтов
1 Люк	80	89	8	М16
Загрузка газовой смеси	40	45	4	М16
2 Люк	50	57	4	М16
Выход газовой смеси	350	377	16	М22

Список литературы