Задание на проектирование 42

Содержание

Введение	6
1 Общие сведения о технологии промышленного аналога	7
2 Анализ способа производства процесса промышленного аналога	8
3 Анализ результатов патентно-информационного поиска и выбор способа достижения цели проектирования	12
3.1 Приложение – таблица «Патентная документация, отобранная для последующего анализа»	20
4 Инженерные основы выбранного способа	22
4.1 Термодинамический анализ	22
4.2 Химизм и механизм реакции	27
4.3 Влияние параметров химического процесса на получение целевого продукта	30
4.4 Анализ реактора промышленного аналога на соответствие требований нового способа	37
5 Задание на проектирование	42
6 Технологическая часть	43
6.1 Характеристика сырья, вспомогательных веществ, материалов и готового продукта	43
6.2 Описание работы технологической схемы получения винилиденхлорида	46
6.3 Нормы технологического режима и метрологического обеспечения технологической схемы	52
6.4 Описание КИП и А, аналитический контроль	58
6.5 Безаварийный пуск и остановка производства	61
6.5.1 Пуск стадии получения винилиденхлорида – сырца	61
6.5.2 Пуск стадии ректификации	62
6.5.3 Остановка стадии получения винилиденхлорида	63
6.5.4 Остановка ректификации винилиденхлорида-сырца	64
6.6 Компоновочное решение	65
6.7 Метасистема, обеспечивающая функционирование производства	66
7 Технологические расчеты	70
7.1 Расчет основного аппарата	70
7.1.1 Материальный баланс стадии синтеза винилиденхлорида	70
7.1.2 Расчет объема реактора	74
7.1.3 Определение тепловой нагрузки	76
7.1.4 Расчет поверхности теплопередачи	79
7.1.5Конструктивно-механический расчет реактора	80
7.1.5.1 Расчет мешалки	80
7.1.5.2 Расчет толщины обечайки, работающей под внутренним давлением	82
7.1.5.3 Расчет толщины эллиптического днища, работающего под внутренним давлением	83
7.1.5.4 Определение наибольшего допустимого диаметра отверстия, не требующего дополнительного укрепления	84
8 Расчет вспомогательного оборудования	85
8.1 Расчет насоса поз. 2	85
8.2 Расчет емкости хранения катализатора поз. 4	86
8.3 Расчет конденсатора поз. 14	87
8.4 Расчет ректификационной колонны поз. 30	93
9 Безопасность и экологичность проектируемого производства	107
9.1 Безопасность труда проекта	107
9.1.1 Характеристика проектируемого производства	107
9.1.2 Производственная санитария	109
9.1.3 Техника безопасности при проведении технологического процесса и эксплуатации оборудования	114
9.1.4 Пожарная безопасность проектируемого объекта	117
9.2 Экологическая безопасность	118
10 Экономическое обоснование принятого проектного решения	125
10.1 Производственная структура и структура управления проектируемого производства винилиденхлорида	126
10.2 Расчет производственной мощности	127
10.3 Расчет единовременных затрат в проектируемое производство	129
10.4 Стоимость зданий и сооружений	130
10.5 Стоимость оборудования	130
10.6 Расчет затрат на сырье, материалы, топливо и энергию	132
10.7 Расчет численности промышленно-производственного персонала	133
10.7.1 Расчет численности основных и вспомогательных рабочих	133
10.7.2 Расчет численности руководителей и специалистов	135
10.8 Расчет затрат на оплату труда	136
10.8.1 Расчет затрат на оплату труда производственных рабочих	136
10.8.2 Расчет фонда оплаты труда руководителей, специалистов, служащих	137
10.9 Определение сметы «Расходов на содержание и эксплуатацию оборудования»	139
10.11 Определение себестоимости продукции	141
10.12 Расчет потребности в оборотных средствах	143
10.13 Расчет экономической эффективности проектируемого производства	144
10.14. Построение кривой безубыточности производства	146
10.15 Расчет срока окупаемости	149
Выводы	151
Список литературы	153
Приложения	156

8 Расчет вспомогательного оборудования

В результате анализа технологической схемы на соответствие нового способа требуется введение дополнительной емкости для хранения катализатора на стадии подготовки. Проведем расчет емкости.

Применение нового щелочного реагента (гидроксида натрия) позволяет снизить его расход и повысить производительность по винилиденхлориду. Проверим пропускную способность насоса при новом расходе гидроксида натрия.

Кроме этого, проверим, справится ли с нагрузкой конденсатор, а также ректификационная колонна при новых технологических условиях.

8.1 Расчет насоса поз. 2

Полезная мощность, затрачиваемая на перекачивание жидкости [26]:

, (8.1)

где Q – подача (расход), м3
/с;

ρ – плотность раствора гидроксида натрия, кг/м3
;

g – ускорение свободного падения;

Н – полный напор, м.

Полный напор:

, (8.2)

где Р1
– давление в аппарате, из которого перекачивается жидкость, Па;

Р2
– давление в аппарате, в который подается жидкость, Па;

Нг
– геометрическая высота подъема жидкости, м;

hп
– суммарные потери напора во всасывающей и нагнетательной линиях.

Так как давления в аппаратах равны Р1
= Р2
, то

=0, (8.3)

тогда

, (8.4)

,

Мощность, которую должен развивать электродвигатель насоса на выходном валу при установившимся режиме работы:

, (8.5)

где ηн
, ηпер
– коэффициенты полезного действия соответственно насоса и передачи от электродвигателя к насосу.

Для центробежного насоса имеем:

ηн
= 0,6 (средняя подача), ηпер
= 1.

Заданной подаче соответствует центробежный насос марки Х8/30, для которого при оптимальных условиях 2,4·10-3
м3
/с; Н = 24 м, ηн
= 0,5. Насос обеспечен электродвигателем АО2-32-2 номинальной мощностью Nн
= 4 кВт, ηдв
= 0,82. Частота вращения вала n = 48,3 с-1
.

8.2 Расчет емкости хранения катализатора поз. 4

Объем катализатора:

, (8.6)

где - скорость подачи катализатора (= 0,004 м3
/ч);

- время запаса (примем 24 ч).

Объем катализатора:

С учетом коэффициента заполнения (φ = 0,9)

Для хранения катализатора необходима стандартная емкость объемом 0,125 м3
.

8.3 Расчет конденсатора поз. 14

Исходные данные для расчета конденсатора сведены в таблицу 8.1.

Таблица 8.1 – Исходные данные для расчета конденсатора

Массовый расход винилиденхлорида, кг/ч	2055,13
Температура паров винилиденхлорида на входе в конденсатор t, °С	30 – 50
Температура винилиденхлорида на выходе из конденсатора t, °С	2 – 10
Температура этиленгликоля на входе в конденсатор t, °С	Минус 10
Температура этиленгликоля на выходе из конденсатора t, °С	Минус 5
Температура конденсации винилиденхлорида t, °С	31,7

Поскольку межтрубное пространство аппарата по принципу действия близко к аппаратам идеального вытеснения, его можно разделить на три зоны: охлаждение паров до температуры конденсации, конденсации и охлаждения конденсата [23].

Примем следующую схему распределения температур между теплоносителями в трех зонах:

а) охлаждение паров до температуры конденсации

lign:center;">50 → 31,7

- 5 ← - 10

Δtб
= 55 Δtм
= 41,7

, °С (8.7)

б) конденсация

31,7 ↔ 31,7

-5 ← - 10

Δtм
= 36,7 Δtб
= 41,7

, °С

в) охлаждение конденсата

31,7 → 5

-5 ← - 10

Δtб
= 36,7 Δtм
= 15

, °С (8.8)

Тепловой поток по зонам:

а) охлаждение паров до температуры конденсации

(8.9)

Дж/(кг·К) – теплоемкость винилиденхлорида при tср1
= 40,85 °С

б) конденсация

, (8.10)

где = 284,5 кДж/кг - удельная теплота конденсации винилиденхлорида.

в) охлаждение конденсата

,
(8.11)

где Дж/(кг·К) – теплоемкость винилиденхлорида при tср1
= 18 °С.

(8.12)

Расход этиленгликоля

, (8.13)

где Сэ
= 2332 Дж/(кг·К) - средняя массовая теплоемкость этиленгликоля [26].

Рассчитаем площадь теплопередающей поверхности. Примем для зон ориентировочные значения коэффициенты теплопередачи:

К1
= К2
= 350 Вт/(м2
·К) – от конденсирующегося пара (органической) к жидкости;

К3
= 120 Вт/(м2
·К) – от жидкости к жидкости (для органических).

а) охлаждение паров до температуры конденсации

(8.15)

б) конденсация

(8.16)

в) охлаждение конденсата

(8.17)

Общая площадь поверхности теплообмена:

Задаваясь числом Re = 10000, определим соотношение n/z для теплообменника из труб диаметром:

dн
= 25×2 мм (8.18)

dн
= 20×2 мм (8.19)

Данному условию соответствует следующий теплообменник:

D =600 мм

Число трубок n = 240 шт

dн
= 25 2 мм

число ходов z = 2

длина труб l = 2 м

площадь поверхности теплообмена 38 м2
[25].

Проверим, обеспечит ли он функцию в новых условиях.

Уточненный расчет поверхности теплопередачи.

Действительное число Reэ
равно:

Теплоотдача от потока при переходном режиме (2300 < Re < 10000) описывается формулой:

(8.20)

Критерий Прандтля для этиленгликоля:

(8.21)

Критерий Нуссельта для этиленгликоля:

Коэффициент теплопередачи для этиленгликоля:

(8.22)

Коэффициенты теплопередачи от винилиденхлорида для каждой зоны будут разными. Рассчитаем для каждой зоны.

а) Зона охлаждения паров винилиденхлорида

При средней температуре tср1
= 40,85 °С винилиденхлорид имеет следующие характеристики: ρ1
= 1169 кг/м3
; μ1
= 10,65·10-6
Па·с; С1
= 1346 кДж/(кг·К); λ1
= 0,152 Вт/(м·К) [17, 26].

Число Рейнольдса паров винилиденхлорида в межтрубном пространстве:

(8.23)

Критерий Прандтля:

(8.24)

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве критерий Нуссельта при Re ≥ 1000 равен [24]:

(8.25)

б) Зона конденсации винилиденхлорида

При температуре tконд
= 31,7 °С винилиденхлорид имеет следующие характеристики: ρ = 1190,5 кг/м3
; μ = 0,39·10-3
Па·с; С = 1306 кДж/(кг·К); λ = 0,15 Вт/(м2
·К) [17].

Коэффициент теплоотдачи от пара, конденсирующегося на пучке горизонтально расположенных труб:

(8.26)

в) Зона охлаждения сконденсированного винилиденхлорида

При средней температуре tср1
= 18 °С винилиденхлорид имеет следующие характеристики: ρ = 1206 кг/м3
; μ = 0,47·10-3
Па·с; С = 1247 кДж/(кг·К); λ = 0,147 Вт/(м·К).

Число Рейнольдса паров винилиденхлорида в межтрубном пространстве:

Критерий Прандтля:

При движении теплоносителя в межтрубном пространстве критерий Нуссельта при Re < 1000 равен:

(8.27)

Вт/(м2
·К)

Сумма термических сопротивлений стенки труб из нержавеющей стали и загрязнений со стороны этиленгликоля и паров винилиденхлорида:

Коэффициент теплопередачи:

а) Зона охлаждения паров винилиденхлорида

б) Зона конденсации винилиденхлорида

Вт/(м2
·К)

в) Зона охлаждения сконденсированного винилиденхлорида Вт/(м2
·К)

Требуемая поверхность теплопередачи

Для каждой зон имеем:

Общая поверхность теплообмена:

Теплообменник с длинной труб l = 2 м и поверхностью теплообмена 38 м2
подходит с запасом

Замены оборудования не потребуется.

Выводы

Спроектирован цех по производству винилиденхлорида производительностью 15000 т/год.

Улучшение качества винилиденхлорида достигнуто за счет применения нового способа получения (заменой известкового молока на гидроксид натрия и применение катализатора межфазного переноса), а также частичной реконструкции реактора (применение лопастной мешалки вместо кольцевого барботера, а также использование пара для обогрева реакционной массы, подаваемого в рубашку аппарата). Это позволяет перевести процесс из диффузионной области в кинетическую, тем самым увеличить степень конверсии до 97 %, сократив время пребывания от 2,5 часов до 1 часа.

Термодинамический анализ показал, что реакция получения винилиденхлорида является экзотермической. Однако этого тепла недостаточно и требуется его дополнительный подвод.

Анализ стадии подготовки, синтеза и выделения показал, что технологическая схема, существующая на аналоге – производстве удовлетворяет требованиям нового способа и требует дополнительного введения емкости и трубопровода в связи с введением дополнительного компонента – катализатора.

В результате технологического расчета определены основные параметры реактора при новых технологических условиях: номинальный объем Vн
= 20 м3
, диаметр аппарата D = 2600 мм, площадь поверхности теплообмена рубашки Fp
= 33,5 м2
, высота уровня жидкости Нж
= 3,04 м при φ = 0,75. Реактор снабжен трехлопастной мешалкой со следующими характеристиками: диаметр вала мешалки dв
= 80 мм; частота вращения мешалки n = 2,08 c-1
. В качестве привода мешалки выбран мотор-редуктор типа МПО-2 с мощностью электродвигателя N= 1,5 кВт.

В разделе безопасности и экологичности проекта показано, что в проектируемом производстве предусмотрены все мероприятия по охране труда и безопасности производства. Рекомендованы мероприятия по защите окружающей среды, направленные на уменьшение газообразных выбросов и исключение сточных вод за счет создания безотходной технологии. Было показано, что проектируемое производство является малоотходным.

В разделе «экономическое обоснование принятого проектного решения» рассчитаны технико-экономические показатели производства и проведено их сравнение с производством-аналогом. Таким образом, после внедрения нового способа рентабельность продукта увеличиться на 52,5 %, рентабельность производства – на 12,9 %, фондоотдача основных фондов – на 11,8 %. При этом годовой выпуск продукции возрастет на 3000 тонн, а капитальные вложения, фонд оплаты труда на одного работающего и коэффициент оборачиваемости оборотных средств останутся неизменными. Выручка от реализации продукции составит 426645 тыс.руб., валовые издержки составят 357461,55 тыс.руб. Запас финансовой прочности составит в денежном выражении 391501,81 тыс. руб., в натуральном выражении - 9947,14 т. Срок окупаемости проекта составит примерно 4 года. Полученные результаты указывают на экономическую целесообразность данного проекта.

Список литературы

1. Постоянный технологический регламент по производству винилиденхлорида – сырца: Цех 18, корпуса: 9-1, 9-11, 9-12, 9-13

2. № 722892 Способ получения винилиденхлорида. С 07 С 21/04. Валитов Р.Б., Латыпова С.А., Колбин А.М., Теляшев Э.Г., Фасхутдинова Р.А. заяв.18.07.78 опуб.25.03.80 бюллетень № 11

3. пат.№ 793975 Способ получения винилиденхлорида С 07 С 21/04 Хардин А.П., Гохберг П.Я., Спицын А.В., Тужиков О.И., Михнев В.Г. заяв.14.02.79 опуб.07.01.81 бюллетень №1

4. авт. свид № 630245 Способ получения винилиденхлорида С 07 С 21/04 Хардин А.П., Тужиков О.П., Ситанов В.С., Сафиуллин Г.С., Спицын А.В., Бандик К.А., Каргина Л.В. заяв.14.06.76 опуб.30.10.78 бюллетень №40

5. патент США № 4816609, МКИ C 07 C 17/14, Способ получения винилиденхлорида. заявл. 26.05.1987, N 53925, опубл. 28.03.1989

6. патент Японии N7731005, МКИ C 07 C 21/06, заявл. 09.03.1977, N 75/104896, опубл. 01.09.1979

7. патент Японии N 58162537 (83162537), МКИ C 07 C 21/08, заявлен 23.03.1982, N 85/44497, опубликован 27.09.1983

8. патент РФ № 2078071 Способ получения винилиденхлорида. С 07 С 24/08. Белокопытов Ю.В., Коновалова Н.Д., Сергучев Ю.А. заявл. 19.12.1994; дата опуб. 27.04.1997, Бюл. № 12.

9. Заявка Японии № 2101029. Получение винилиденхлорида. МКИ5
С 07 С 21/08. Идэ Тору, Китамура Такао, Заявл. 11.10.88; опубл. 12.04.90

10. Патент ФРГ № 1230418. Непрерывный способ получения винилиденхлорида. Ostermaer Hans, Schweter Walter. С 07 С 12/09 Заявл. 24.03.61, опубл. 29.06.67.

11. патент Японии N 164416, 1961 г.

12. авторское свидетельство СССР №1127881. Получение винилиденхлорида. МКИ5
С 07 С 21/08 С 07 С 17/34. Шутенкова Т.В., Толстиков Г.А., Шаванов С.С., Викторов Г.А., Бикбулатов И.Х., Шурупов Е.В., Ихсанов А.С., Морозов Ю.Д., Рафиков С.Р., Денисов Е.Н. Заявл. 21.01.81; опуб.07.12.84 бюл. № 45

13. Шаванов С.С., Толстиков Г. А. и др. "О катализе жидкофазного дегидрохлорирования 1,1,2-трихлорэтана". ЖПХ N 1, 1987 г. с. 150-153

14. патент РФ № 2167140 Получение винилиденхлорида. МКИ5
С 07 С 21/08. Шаванов С.С., Абдрашитов Я.М., Дмитриев Ю.К., Миннибаев Ф.М., Япрынцев Ю.М., Губайдуллин А.И. Заявл. 10.08.1999; Опубл. 20.05.2001.

15. патент РФ № 2167141 Получение винилиденхлорида. МКИ5
С 07 С 21/08. Шаванов С.С., Абдрашитов Я.М., Дмитриев Ю.К., Гизатуллин Р.С, Ермилов Ю.А., Маталинов В.И., Островский Н.А. Заявл. 10.08.1999; Опубл. 20.05.2001.

16. Юкельсон И.И. Технология основного органического синтеза. – М.: Химия, 1968

17. Ошин Л.А. Промышленные хлорорганические продукты. - М. : Химия, 1978 г., с.53

18. Муганлинский Ф.Ф. и др. Химия и технология галогенорганический соединений / Ф.Ф. Муганлинский, Ю.А. Трегер, М.М. Люшин. – М.: Химия, 1991. – 272с.

19. Краткий справочник физико – химических величин/ под ред.Равделя А.А. М.:Химия,1983

20. Лебедев Н.Н., Манаков М.Н., Швец В.Ф Теория химических процессов основного органического и нефтехимического синтеза /под ред. Лебедева Н.Н. – М:Химия,1984. – 376 с.

21. Сайкс Механизмы реакций в органической химии. Л.: Химия, 1991

22. Лебедев Н.Н. Химия и технология основного органического и нефтехимического синтеза: учебник для вузов. – М.:Химия, 1988. – 592 с.

23. Машины и аппараты химических производств: Примеры и задачи/ И. В. Доманский, В.П.Исаков, Г.М. Островский и др.; под общ. ред. В.Н.Соколова – Л.: Машиностроение, 1982. – 384 с.

24. Паспорт «Сосуд, работающий под давлением» поз 12011,2

25. Основные процессы и аппараты химической технологии /под. Ред Ю. И. Дытнерского – М.: Химия, 1983 – 152с.

26. Павлов К.Ф, Романков П. Г., Носков А.А. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химических производств. – Л.: Химия, 1987

27. Альперт Л.З. Основы проектирования химических установок: учеб. Пособие для учащихся химико – механический техникумов - 4-е изд., перераб. И допол. – М.: Высшая школа, 1989 – 304 с.

28. ГОСТ 21.1.005 – 88. Воздух рабочей зоны. Общие санитарно-гигиенические требования. - М.: Стройиздат, 1989.

29. Охрана труда в химической промышленности/под. ред. Макарова. Г.А. – М. Химия, 1988 – 405 с.

30. СНиП 23 – 05 – 95. нормы проектирования. Естественное и искусственное освещение. - М.: Стройиздат, 1996.

31. ГОСТ 12.4.103 – 83. ССБТ Одежда специальная защитная. Средства индивидуальной защиты ног и рук. Классификация. - М.: Стройиздат, 1983.

32. ГОСТ 12.4.121 – 83. ССБТ Противогазы промышленные фильтрующие. Технические условия. - М.: Стройиздат, 1983.

33. ГОСТ 12.2.003 – 91. ССБТ Оборудование производственное. Общие требования безопасности. -М.: Стройиздат, 1991.

34. ГОСТ 12.2.020 – 76. Электрооборудование взрывозащищенное. Термины и определения. Классификация. Маркировка. - М.: Стройиздат, 1980.

35. ГОСТ 12.4.124 – 83. ССБТ. Средства защиты от статического электричества. Общие технические требования. - М.: Стройиздат, 1983.

36. СНиП II – 89 – 80. Генеральные планы промышленных предприятий. Нормы проектирования. – М.: Стройиздат, 1981.

37. СН 245 – 71. Санитарные требования к генеральному плану.

38. СН 369 – 74. Указания пол расчету рассеивания в атмосфере выбросов предприятий. – М.: Сторйиздат, 1974.

Приложения

1 Перечень выполненных чертежей:

- Технологическая схема получения винилиденхлорида – 1 лист;

- Чертеж реактора – 1 лист;

- Генплан – 1 лист;

- Компоновка оборудования (планы и разрез) – 2 листа.

2 Спецификация к графической части:

- Спецификация КИП и А;

- Спецификация на реактор.

3. Лист согласования.