Промышленная технология производства катализатора дегидрирования изоамиленов в изопрен марки КИМ-1

Одним из основных направлений развития химической промышленности является создание мощного современного производства пластических масс и каучуков. Особо важное значение приобретают мономеры, одним из которых является изопрен.

В настоящие время известно несколько способов синтеза изопрена. В целом в промышленности внедрены два метода:

синтез изопрена из формальдегида и изобутилена;

двух стадийное дегидрирование изопентана в изоамилены и далее в изопрен.

Оба метода реализованы на ОАО «Нижнекамскнефтехим».

Вторая стадия каталитического дегидрирования изоамиленов в изопрен ранее осуществлялась в присутствии катализатора марки КИМ-1. Производителем катализатора являлся завод «Окиси этилена» (цех № 2410) Нижнекамского нефтехимического комбината. Катализатор характеризовался хорошими эксплуатационными показателями, достаточной активностью и селективностью, высокой механической прочностью.

В данной работе на проектирование представлена промышленная технология производства катализатора дегидрирования изоамиленов в изопрен марки КИМ-1 в присутствии водяного пара в адиабатических реакторах с неподвижным слоем катализатора на заводе СК.

Катализатор дегидрирования КИМ-1 производится на территории цеха № 2410 завода «Окиси этилена» ОАО «Нижнекамскнефтехим». В целях уменьшения капитальных затрат при проектировании для производства катализатора КИМ-1 предусматривается максимально возможное использование существующего технологического оборудования, применяемого ранее для производства катализатора ИМ-603, с сохранением его обвязки технологическими трубопроводами. Процесс производства катализатора дегидрирования КИМ-1 является периодическим. Количество технологических потоков — два.

1. Характеристика сырья и готовой продукции

1.1. Характеристики производимой продукции

Таблица 1.1 — Характеристики производимой продукции

1.2 Характеристика сырья, материалов, реагентов, полупродуктов

Таблица 1.2- Характеристика сырья

1.3 Физико-химические свойства сырьевых компонентов [1−8]

В качестве сырья для производства экспериментального железо-оксидного катализатора синтеза изопрена дегидрированием изоамиленов используются следующие сырьевые компоненты:

Пигмент железо-оксидный — порошок желтого цвета, молекулярный вес 159,69, а.е., температура плавления — 1565С, в воде не растворим.

Калий углекислый — порошок белого цвета, молекулярный вес 138 а.е., температура плавления -891С, в воде растворим.

Циркония двуокись — порошок белого цвета или сероватым с желтоватым оттенком, молекулярный вес 123 а.е., температура плавления -2680 °С, в воде не растворим.

Хрома окись — порошок темно — зеленого цвета, молекулярный вес 152 а.е., температура плавления -2275°С в воде не растворим.

Гидроксид калия — чешуйки зеленого, сиреневого или серого цвета, молекулярный вес 56 а.е., температура плавления- 380 °C.

Оксид алюминия — гранулы белого цвета, молекулярный вес 102 а.е., температура плавления Сажа белая — порошок белого цвета.

1.4 Термодинамические свойства сырьевых компонентов

Таблица 1.3 — Термодинамические свойства сырьевых компонентов

1.5 Физико-химические характеристики конечного продукта

Катализатор дегидрирования КИМ-1 представляет собой железо-калиевую оксидную систему, промотированную оксидами металлов. Имеет следующий химический состав:

Fe₂O₃-53.5%, Cr₂O₃-3,8%, ZrO₂-3,0%, K₂CO₃-31,1%, AI₂O₃-1,75%, KOH-2,3%, сажа белая-4,6%.

2. Физико-химические основы технологического процесса

Процесс двух стадийного дегидрирования изопентана в изопрен является вторым, после синтеза изобутилена и формальдегида, промышленным методом синтеза изопрена, разработанным и внедренным в России [9,10].

Сущность процесса двух стадийного дегидрирования изопентана состоит в последовательном превращении изопентана в изоамилены, а смеси последних — в изопрен. На практике эти операции осуществляются в различных условиях, на разных катализаторах и самостоятельных технологических установках.

Схема основных и побочных химических превращений, протекающих при дегидрировании изопентана и изоамиленов [11]:

(2.1)

Вопрос о фазовом составе промотированных железно-оксидных катализаторов, находящихся в атмосфере паров углеводородов и воды при температурах 770−870 К, является ключевым для определения механизма реакции дегидрирования, протекающей на этих контактах, разработки научно обоснованных методов синтеза данного класса катализаторов, оптимизации технологических процессов. Эта проблема привлекает пристальное внимание исследователей с момента появления первых железо-оксидных катализаторов, промотированных оксидами калия и хрома.

Одной из первых попыток исследования фазового состава железохрокалиевого катализатора в условиях разработки и дегидрирования в присутствии водяного пара явились работы советских ученых [13−16]. Для интерпретации фазового состава катализатора, выяснение природы его каталитической активности и роли отдельных компонентов авторы [13,14] методами рентгенофазового, термографического анализа и ИК спектроскопии изучили поведение индивидуальных компонентов, а также их двойных и тройных композиций в условиях окислительной и восстановительной сред, при разогреве до температуры реакции и охлаждении катализатора. Используя высокотемпературную рентгеновскую камеру, исследователи изучили фазовый состав железохромкалиевого катализатора в условиях реакции дегидрирования олефинов и установили, что фазовый состав контакта при комнатной и в условиях реакции существенно различается. Авторы работ [13,15] убедительно показали, что индивидуальный карбонат калия не активен в реакции дегидрирования, индивидуальный оксид железа — основной компонент катализатора — в начальный момент режима дегидрирования имеет достаточно высокую активность однако, через 10−15 мин. Работы происходит быстрое снижение степени превращения и избирательности процесса, обусловленное зауглероживанием поверхности.

Система в режиме дегидрирования не теряет активности и по своей селективности приближается к катализатору. Высокую и стационарную активность этой двойной системы, по мнению авторов [15], можно объяснить только образованием феррита калия. Отсюда был сделан вывод, что высокая каталитическая активностью обусловлена образованием на поверхности глобул оксида железа слоя монофиррита калия или твердого раствора хрома и кремния в решетке этого феррита. Изложенная точка зрения поддерживается и в более поздних публикациях

Следует отметить, что в выводах авторов работ [13−19] о составе каталитически активной фазы железо-оксидного катализатора содержится ряд существенных противоречий. Во-первых, предусматривается, что большая часть основного активного компонента — оксида железа — выключена из каталитического процесса. По мнению авторов [15], соотношение Fe: К в образе таково, что значительная часть оксида железа не взаимодействуют с карбонатом калия и в условиях реакции переходит в момент, однако, если магнетит и доступен для реагирующих молекул, то он быстро зауглероживается. Приняв описанную модель, можно заключить, что нет смысла вводить в катализатор более 70%, или что оксид железа, находясь в центре глобулы, выполняет только функцию носителя. Во-вторых, вызывает сомнение тот факт, что моноферрит калия или твердый раствор кремния и хрома в решетке моноферита калия может обеспечить высокую конверсию и селективность процесса дегидрирования. По данным работы выход стирола при использовании в качестве катализатора чистого моноферита калия не превышает 20%, а удельная скорость образования стирола на таком контакте (молярное отношение Fe: К = 1) в 4 раза ниже, чем на ферритной системе с молярным отношением Fe: К= 4, обладающей практически одинаковой структурой пор. Кроме того, железо, находящееся в соединении в степени окисления +3 не может обеспечить высокую селективность процесса дегидрирования.

К наиболее важным выводам авторов работ [15,16] относится заключение о том, что формирование активной фазы происходит при восстановлении катализатора.

Таким образом, вопрос о составе активной фазы промотированных железо-оксидных контактов остается открытым. В связи с этим представляется целесообразным изложение основных точек зрения на природу промотирующего действия оксида калия, вводимого в значительных количествах в катализаторы дегидрирования. Эти данные по-видимому, могут служить основной для более четких представлений о составе каталитически активной фазы и механизме ее действия:

Авторы [22,23] считают, что присутствие К2О или кластера на поверхности или в объеме оксида железа приводит к образованию высоко ионизированного центра в преимущественно ковалентном оксиде железа. Этот высоко ионизированный центр способствует созданию локализованного электростатического поля с последующей поляризацией окружающих связей, что приводит к ослаблению связей Fe-O, расположенных рядом с. В конечном итоге присутствие щелочного промотора увеличивает активность железо-оксидных систем, т.к. каталитический процесс включает разрыв связей Fe-О на определенной, возможно, лимитирующей стадии реакции дегидрирования. По мнению китайских ученых [24,25] активный центр представляет собой кластер, состоящий из одного атома калия, двух атомов железа и одногокислорода. Присутствие калия повышает концентрацию активных центров.

Добавки калия, изменяя энергию связи кислорода в решетке каталитически активных оксидов железа, при определенных условиях уменьшают энергию активации каталитического окисления углеродистых отложений, образующихся в процессе дегидрирования [15,16,26], обеспечивают само регенерацию контакта.

Калий понижает кислотность катализатора, добавляя побочные реакции.

Добавки калия способствуют восстановлению железо-оксидного катализатора до определенной степени [21], стабилизирует активную фазу[25].

Анализ литературных данных позволяет сформулировать некоторые предложения о составе активной фазы промотированного железо-оксидного катализатора в условиях реакции дегидрирования:

Каталитически активная фаза представляет собой сложный оксид в состав которого входят железо и калий в соотношении, близком к их общему соотношению в контакте. Другие компоненты катализатора могут входить в состав этого соединения, образуя твердые растворы. Устойчивая работа контакта обеспечивается равномерным распределением компонентов по грануле катализатора, что возможно при наиболее полном взаимодействии исходных веществ [27,28].

Это соединение после микровостановления должно удовлетворять определенным условиям в отношении таких факторов, как геометрическая структура, электронное строение, энергетическое состояние, удовлетворять условиям преобразования валентного состояния ионов железа, обладать шпинельной структурой.

Формирование активной фазы происходит при восстановлении катализатора. При устанавливается оптимальное соотношение которое остается практически постоянным в атмосфере, где парциальное давление кислорода определяется соотношением углеводородводяной пар и температурой.

Катализатор дегидрирования КИМ-1 представляет собой сложную многофазную систему на основе оксидов железа, содержащую в небольших количествах оксида хрома, циркония, алюминия и соединение калия. В основе технологии лежит процесс получения катализаторов методом мокрого смешения с последующим формированием активной фазы путем высокотемпературной обработки исходных соединений.

В качестве исходных компонентов используются оксид железа, хрома, алюминия, циркония и карбонат калия. Все компоненты катализатора последовательно смешиваются в водной суспензии. Химические процессы на стадии смешения не протекают.

Для связывания катализаторной массы с целью придания механической прочности катализатору добавляют жидкое стекло.

Водная суспензия катализаторной смеси упаривается для удаления избыточной воды и перевода смеси в пастообразную форму пригодную для гранулирования.

Полученная катализаторная паста формуется с помощью гранулятора в «червяки», из которых затем в процессе сушки удаляется физически адсорбированная вода. Высушенные гранулы катализатора далее подвергаются высокотемпературной обработке в специальных активаторах или печах.

В процессе высокотемпературной обработки при температурах выше 600 С в объеме катализатора происходит разложение углекислого калия и взаимодействие оксидов между собой с образованием ферритов Ме, где Ме — это сумма катионов металла К, Cr, Аl.

Готовый катализатор КИМ-1 имеет следующий химический состав: Fe₂O₃-53,5%, Cr₂O₃-3,8%, ZrO₂-3,0%, K₂CO₃-31,1%, AI₂O₃-1,7%, KOH-2,3%, сажа белая-4,6%.

Выход готового катализатора составляет 275 т. в год, 25 т. в месяц.

Отходами производства являются катализаторная пыль, сколы и крошки.

3. Описание технологического процесса и технологической схемы производственного объекта

В процессе производства катализатора КИМ-1 исходные компоненты, взятые в виде оксидов железа, хрома, циркония, алюминия и карбоната калия, смешиваются в водной среде.

Для связывания катализаторной массы с целью придания механической прочности катализатору в смеситель 4 добавляют жидкое стекло.

При последующей термической обработке катализатора происходит разложение углекислого калия и взаимодействие оксидов между собой с образованием ферритов.

Процесс получения катализатора КИМ-1 состоит из следующих операций:

подготовки исходных компонентов;

приготовление катализаторной смеси;

приготовление жидкого стекла;

получение катализаторной массы и формовки;

активации катализатора.

3.1 Подготовка исходных компонентов

Мешки с желтым железо-окисным пигментом и углекислым калием складывают на поддоны. Эти поддоны при помощи электрической тали 1 поднимают на отметку 19.200 для загрузки в реактор 2.

Оксид хрома, двуокись циркония, активный оксид алюминия после размола в дисмембраторе 13 взвешивают на весах, затем поднимают на отметку 19.200 электрической талью 1 для загрузки в реактор 2.

3.2 Приготовление катализаторной смеси

Приготовлении водной суспензии компонентов и гидротермальная обработка происходит в реакторе 2 с якорной мешалкой и рубашкой для обогрева паром. В реактор 2 заливают 1,5 куб/м. Обессоленной воды, включается мешалка и через загрузочный люк засыпают расчетное количество углекислого калия и перемешивают в течении 30 мин. С одновременным нагреванием раствора до подачей пара с давлением 5 кгс/ в рубашку. При достижении температуры 80- С через загрузочный люк засыпают расчетное количество желтого железо-оксидного пигмента и проводят термообработку в течении 7 часов. Вниз реактора 2 подается технологический воздух для предотвращения отложения осадков. После термообработки в реактор 2 засыпают расчетное количество активной окиси алюминия, окиси хрома, двуокиси циркония и доливают обессоленной воды до 2. После 1 часа перемешивание полученной катализаторной смеси производят отбор пробы суспензии на ее химический состав. При положительных результатах химического анализа осуществляют процесс получения катализаторной массы.

3.3 Приготовление жидкого стекла

Приготовление жидкого стекла осуществляется в реакторе 3 с мешалкой и рубашкой для обогрева паром. В реактор 3 принимают расчетное количество обессоленной воды.

Через загрузочный люк реактора 3 при перемешивании засыпают расчетное количество гидрата окиси калия и подогревают раствор путем подачи водяного пара в рубашку реактора. Перемешивание производится в течении 1 часа. После чего в реактор 3 загружают расчетное количество силикагеля или белой в несколько приемов. Приготовление жидкого стекла производится при растворении и перемешивании компонентов в течении 6 часов при температуре С. После естественного охлаждения жидкого стекла до температуры С, отбирают анализ для определения силикатного модуля.

При удовлетворительных анализах жидкое стекло используют при производстве катализатора КИМ-1, как связывающее вещество.

3.4 Получение катализаторной массы

Процесс получения катализаторной массы производится путем упаривания катализаторной смеси, т. е. отгонки из нее воды и углекислого газа подачей пара в рубашку смесителя 4. Готовую суспензию из реактора 2 через нижний штуцер по стационарной линии подают в роторные смесители 4.

В указанных смесителях протекает дальнейшее перемешивание реакционной смеси с одновременной упаковкой сгущающейся массы. Пары воды и углекислый газ выходят из отверстий в крышках смесителей 4 отсасывается вентилятором 17 в атмосферу через промежуточный сборник конденсата 18. За один час до готовности массы к формовке в смеситель 4 подают расчетное количество жидкого стекла. Готовность каталитической массы к формовке определяется визуально. Проверка производится только при отключенном электродвигателе. Полученная масса в смесителе с влажностью 20−30% путем опрокидывания смесителя выгружается на ленточные транспортеры 5. С транспортеров катализаторная масса поступает в приемный бункер гранулятора типа ПФШ-150 5, где при охлаждении камеры формователя промышленной водой происходит формование катализаторной массы в «червяки» диаметром 3,6−4 мм. Образующийся червяк указанного диаметра ссыпается на маятниковые транспортеры 7. С указанных транспортеров «червяк» укладывается на транспортеры сушилок 8, на которых проходя 6 секций сушилок подвергается сушке. Сушка «червяков» происходит в токе подогретого воздуха при температуре 90-С до влажности не больше 10%.

Процесс сушки регулируют подачей пара, подаваемого на калориферы сушилок. Воздух в сушилку поступает от вентиляторов 19,20 через калориферы 21, обогреваемые паром давления 0,5 Мпа. Из сушилок 8 воздух с парами воды отсасывается вентиляторами 31,32 и сбрасывается в атмосферу.

Высушенные «червяки» после сушилок 8 накапливают в бункерах 9, откуда выгружают в контейнеры 10. Контейнеры 10 с сухим «червяком» перевозят электропогрузчиками и помощью электротали 11 загружают в активатор 12 через загрузочный люк.

3.5 Активация катализатора

Активацию катализатора проводят горячим воздухом, подогреваемым в печи 22. Активацию катализатора производят путем при температуре 645-С в течении 8 часов. Температурный режим активации представлен на графике ведения активации. Подъем температуры ведут со скоростью 50-С/час. При достижении температуры С производят выдержку катализатора в течении 2-х чесов с целью уравнивания температуры в слое катализатора, после чего подъем температуры ведут со скоростью 30-С/час до температуры 645-С. Расход горячего воздуха составляет 2000;2500/час. После окончания процесса активации катализатор охлаждают азотом до температуры С, после чего охлаждение катализатора продолжают холодным технологическим воздухом.

Продолжительность процесса охлаждения катализатора лимитируется расходом азота и воздуха. Расход азота составляет 300/час, технологического воздуха-2000/час. После охлаждения до С прекращают подачу технологического воздуха и катализатор выгружают по течке 200-литровые металлические бочки с полиэтиленовыми вкладышами. В течке происходит рассев катализатора от сколов, мелких частиц и отсос пыли. Сколы катализатора поступают в контейнер 10. Воздух из течки с примесью катализаторной пыли подается вентилятор от 23 для очистки от пыли в циклон 24, а после очистки выбрасывается в атмосферу. Воздух из активатора 12 подается для очистки от катализаторной пыли в циклон 25, а затем выбрасывается в атмосферу. Пыль из циклонов 24,25 собирается в контейнеры 10. Отходы катализатора: мелкие частицы, сколы катализатора загружаются в бункер 28, откуда поступает на размол на мельницу 29. После размола порошок поступает в бункер 30, а из него выгружается в контейнеры 10 и вместе с катализаторной пылью из циклонов возвращается в производство.

4. Расчетная часть

4.1 Материальный баланс производства железо-оксидного катализатора дегидрирования КИМ-1

Таблица 4.1 — Материальный баланс железо-оксидного катализатора

4.2 Нормы технологического режима, метрологическое обеспечение и расходные нормы

Таблица 4.2 — Нормы технологического режима

4.3 Нормы расхода сырья, материалов, энергоресурсов на выпуск 1 т железо-оксидного катализатора дегидрирования КИМ-1

оксидный катализатор изопрен

Таблица 4.3 — Нормы расхода сырья, материалов и энергоресурсов

5. ВЫБОР ОСНОВНОГО ПРОМЫШЛЕННОГО ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ

5.1 Общие сведения об аппарате

Аппарат объемом 3,2 мі, изготовленный заводом «Красный Октябрь», предназначен для проведения различных технологических процессов в жидких однофазных и многофазных средах динамической вязкостью не более 50 П и плотностью не более 1500 кГ-мі при перемешивании в пределах параметров, указанных в технической характеристике.

Аппарат представляет собой вертикальный стальной сварной цилиндрический сосуд с перемешивающим устройством и съемной эллиптической крышкой. Он состоит из следующих основных сборочных единиц:

корпуса:

крышки:

перемешивающего устройства:

привода, состоящего из мотор редуктора и стоек для крепления его на крышке аппарата:

— вода вывода.

Корпуса аппаратов, в зависимости от наличия и типа теплообменных устройств, изготовляются двух исполнений и обозначаются по ГОСТу 20 680−75:

без теплообменного устройства:

с гладкой приварной рубашкой:

Для перемешивания жидких сред при проведение различных физико-химических процессов в аппаратах применяются перемешивающие устройства (мешалки) следующих типов и исполнений:

открытая турбинная без отражательных перегородок:

рамная:

Корпус аппарата, стационарный вертикальный, устанавливается на фундамент или специальную несущую конструкцию при помощи опор.

Аппараты изготавливаются с опорами — лампами.

На опорах корпуса предусмотрены регулировочные (отжимные) венты с контргайками и опорными пластинами для выверки (положения) аппарата на фундаменте в процессе монтажа.

Аппарат имеет строповочные устройства, обеспечивающие возможность использования грузоподъемных механизмов и приспособлений при установке аппарата в рабочее положение, а также при сборке и разборке.

Аппараты изготовляются с сальниковыми уплотнениями типа IV Б по ГОСТу 26−01−1247−75 или торцовыми уплотнениями типа ТД-6 по ГОСТу 26−01−1243−75.

Сальниковое уплотнение применяется в аппаратах, предназначенных для нетоксичных, не легколетучих и невзрывоопасных сред, работающих при атмосферном давлении, до (0,6 МПа).

Торцовое уплотнение применяется в аппаратах, предназначенных для токсичных, пожароопасных и взрывоопасных сред, а также в аппаратах работающих под вакуумом с остаточным давлением менее 300 мм.рт.ст. независимо от свойств рабочей среды.

Шифр типа уплотнения в обозначении аппаратов:

С — сальниковое; Тторцовое:

Аппарат снабжен технологическими штуцерами для контрольно-измерительных приборов и предохранительных устройств, а также люком для осмотра и загрузки продукта.

Уплотнительная поверхность фланцев аппарата и штуцеров — гладкая.

Вращение перемешивающего устройства осуществляется от моторредуктора, который установлен с помощью стоек на крышке аппарата.

Крышка аппарата — стальная эллиптическая.

Аппараты комплектуются мотор — редукторами типов МПО1 и МПО2 с электродвигателями закрытого обдуваемого исполнения АО2 или взрывозащищенного исполнения ВАО.

Аппараты с электродвигателями исполнения ВАО могут быть установлены во взрывоопасных помещениях класса не выше В1-а согласно ПУЭ, в которых могут образовываться взрывоопасные смеси категории не выше согласно ПИВРЭ, указанных ниже.

Рабочая температура среды в аппарате до 135 °C.

Вал мешалки через сальник (торцовое уплотнение) выделен из аппарата и посредством муфты соединен с приводом.

Опорой и направлением вала служат подшипники, смонтированные в стойке привода.

Загрузка продукта в аппарат производится через люк или технологические штуцера.

Продукт в аппарате нагревается или охлаждается при одновременном перемешивании.

Выгрузка продукта производится через верхний или нижний штуцер ввода-вывода продукта.

Контроль технологического процесса осуществляется при помощи контрольно-измерительных приборов.

5.2 Основные технические данные и характеристики аппарата

Номинальный объем, мі, аппарата-3,2 рубашки-0,285

Площадь поверхности теплообмена, мІ-6,3

Среда: в аппарате — едкая взрывобезопасная не ядовитая.

в рубашке — вода, насыщенный водяной пар, рассол (при соответствующей температуре).

Допустимая температура стенки аппарата и рубашки, °Сот минус 20 до плюс 200

Давление рабочее (расчетное), МПа:

в аппарате -0,6

в рубашке-0,4

Давление охлаждающей жидкости в рубашке сальника, МПа — не более 0,1.

Частота вращения перемешивающего устройства, об/мин- 167

Мощность электродвигателя привода, кВт — 3.0

Внутренний диаметр, мм корпуса — 1600

рубашки — 1700

Габариты, мм — высота -4110, ширина — 2185

Масса аппарата, кг — 2755

Корпус аппарата изготавливаются из сталей марок:

Вст3сп5, ГОСТ 380–71;

Сталь 12Х18Н1ОТ, ГОСТ 5632–72;

Сталь 10Х17Н13М2Т, ГОСТ 5632–72.

Рубашка изготавливается из стали марки Вст3сп5, ГОСТ 380–71.

Материал уплотнительных прокладок — поранит по ГОСТу 481−71.

5.3 Расчет аппарата на прочность [29,30]

5.3.1 Исходные данные

1. Диаметр аппарата внутренний, м — D=1,6

2. Диаметр рубашки внутренний, м — D₁=1,7

3. Расчетное внутреннее избыточное давление:

— в аппарате, МПа — Р=0,6

— в рубашке, МПа — Р=0,4

4. Расчетное наружное давление:

— корпуса, МПа — Р_н=0,4

5. Материал основных элементов аппарата:

— корпуса и крышки — сталь12Х18Н10Т или 10ХПН13М2Т, или 10ХПН13М3Т по ГОСТ 5632–72;

— рубашки — ВСт3сп5 по ГОСТ 380–71;

6. Расчетная температура стенок, 200⁰С;

7. Допускаемое напряжение материала при расчетной температуре, 200⁰С:

— для сталей 12Х18 Н10Т, 10Х17Н13М2Т и 10Х17Н13М3Т — = 140 МПа;

— для стали ВСт3сп5 — = 126 МПа;

5.3.2 Расчет обечайки, корпуса, работающей под внутренним давлением

Толщину стенки обечайки, работающей под внутренним давлением определяем по формулам:

(5.1)

(5.2)

Расчетные формулы (5.1) и (5.2) применены, когда

(5.3)

где р — коэффициент прочности продольного сварного шва цилиндрической обечайки,

р = 0,9;

S — исполнительная толщина стенки обечайки;

С — сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, определяется по формуле:

С= С₁ + С₂ + С_3, (5.4)

где С₁ — прибавка для компенсации коррозии, С₁ = 0,

С₂ — прибавка для компенсации минусового допуска листа, С₂ = 0,0008 м;

С₃ — прибавка технологическая, С₃ = 0.

С = С₂ = 0,0008 м

;

м, м.

5.3.3 Расчет обечайки корпуса, работающей под наружным давлением

Толщину стенки обечайки, работающей под наружным давлением, приближенно определяем по формулам (5.5) и (5.6) с последующей проверкой по формуле (5.7):

(5.5)

(5.6)

где коэффициент К₂ определяется по номограмме,

С = 0,0008 м — сумма прибавок к расчетным толщинам стенок, определяемая по формуле (5.4),

где Е — модуль продольной упругости при расчетной температуре.

Для сталей 12Х17Н10Т, 10ХПН13М2Т и 10Х17Н13М3Т Е = 0,198 10⁶ МПа

м; м;

; ;

м;

м;

м Принимаем м.

Допустимое наружное давление определяется по формуле:

(5.7)

где допускаемое давление из условия прочности определяется по формуле:

(5.8)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости определяется по формуле:

(5.9)

Где (5.10)

Расчетные формулы применены, когда

(5.11)

0,006<0.1

Принимаем

МПа

5.3.4 Расчет обечайки рубашки, работающей под внутренним давлением

Толщину стенки обечайки, работающей под внутренним давлением, определяем по формулам:

(5.12)

(5.13)

Расчетные формулы (5.11) и (5.12) применены, когда

(5.14)

где — коэффициент прочности продольного сварного шва цилиндрической обечайки,

= 0,9;

S₁ — исполнительная толщина стенки обечайки рубашки;

С — сумма прибавок к расчетным толщинам стенок определяется по формуле (5.4),

где С₁ = 0,001 м; С₂ = 0,0008 м; С₃ = 0; С = 0,0018 м;

; 0,0036<0,1

м,

м.

Принимаем м.

5.3.5 Расчет днища корпуса, работающего под внутренним давлением

Толщина стенки днища корпуса, работающего под внутренним давлением, определяем по формулам:

; (5.15)

(5.16)

Расчетные формулы (5.15) и (5.16) применены, когда

и, (5.17)

где Rрадиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности;

R = D = 1,6м — для эллиптических днищ с Н = 0,25 D;

Н — высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части, Н = 0,4 м;

— коэффициент прочности сварного шва, = 0,9;

S² -исполнительная толщина стенки днища;

С — сумма прибавок расчетным толщинам стенок определяется по формуле (5.4),

С = 0,0008 м;

; 0,002<0.005<0.1

; 0,2<0.25<0.5

м;

м.

5.3.6 Расчет днища корпуса, работающего под наружным давлением

Толщину стенки корпуса, работающего под наружным давлением, приближенно определяется по формулам (5.18) и (5.19) с последующей проверкой по формуле (5.20):

(5.18)

(5.19)

Для предварительного расчета К₂ принимается равным 0,9 для эллиптических днищ

м;

м;

м Принимаем м Допускаемое наружное давление следует рассчитывать по формуле:

(5.20)

где допускаемое давление из условия прочности

(5.21)

а допускаемое давление из условия устойчивости в пределах упругости

(5.22)

Коэффициент К_э определяется по формуле (5.23) в зависимости от отношения

и

(5.23)

где (5.24)

;

МПа;

МПа;

МПа

5.3.7 Расчет днища рубашки, работающего под внутренним давлением

Толщина стенки днища рубашки, работающего под внутренним давлением, определяем по формулам:

; (5.25)

(5.26)

Расчетные формулы (5.25) и (5.26) применены, когда

и, (5.27)

где R — радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности;

R = D₁ = 1,7м — для эллиптических днищ с Н = 0,25D₁;

Н — высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части, Н = 0,425 м;

— коэффициент прочности сварного шва, = 0,9;

S₃ — исполнительная толщина стенки днища;

С — сумма прибавок к расчетным толщинам стенок определяется по формуле (5.4),

где С₁ = 0,001 м; С₂ = 0,0008 м; С₃ = 0; С = 0,0018 м;

; 0,002<0,005<0,1

; 0,2<0.25<0.5

м;

м.

Принимаем м.

5.3.8 Расчет крышки аппарата, работающей под внутренним давлением

Толщину стенки крышки аппарата, работающей под внутренним давлением, определяем по формулам:

; (5.28)

(5.29)

Расчетные формулы (5.23) и (5.24) применены, когда

и, (5.30)

где R = D = 1,6м — радиус кривизны в вершине днища по внутренней поверхности;

Н = 0,4м — высота выпуклой части днища без учета цилиндрической части;

=0,9 — коэффициент прочности сварного шва;

С = 0,0008м — сумма прибавок к расчетным толщинам;

S₄ = 0,01м — исполнительная толщина стенки крышки;

; 0.002<0.006<0.1

; 0.2<0.25<0.5

м;

м Принимаем м.

5.3.9 Расчет укрепления отверстий в стенке крышки аппарата

Наибольший допускаемый диаметр одиночного отверстия, не требующего дополнительного укрепления, вычисляется по формуле:

; (5.31)

где коэффициенты К₁ = 1,0; К₂ = 0,8;

S_R — расчетная толщина стенки днища Расчетная толщина стенки эллипсоидальных днищ, работающих под внутренним давлением, вычисляется по формуле:

; (5.32)

где р — расчетное внутреннее избыточное давление в аппарате, Р = 0,6МПа;

= 1 — коэффициент прочности сварного шва;

— допускаемое напряжение для материала днища при расчетной температуре 200⁰С

МПа;

S = 0,01м — исполнительная толщина стенки днища;

С — прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии, С = 0;

D_R = расчетный внутренний диаметр, укрепляемого днища.

Для стандартных днищ при Н = 0,25D

D_R — определяется по формуле:

; (5.33)

где r — расстояние от центра укрепляемого отверстия до оси эллипсоидального днища

Принимаем м м,

м, м.

Если диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию

(5.34)

то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется,

где d_R — расчетный диаметр отверстия в стенке обечайки или днища.

Расчетные диаметры отверстия смешанного штуцера на эллипсоидальном днище и штуцеров на цилиндрической обечайки равны

d_R = d (5.35)

Выбираем расчетный диаметр отверстия для большого штуцера (люка) d_R = 0,257 м, тогда условие (5.34) выполнено.

0,257 0,8498

Отверстие считается одиночным, если прилежащее к нему отверстие не оказывает на него влияния, что имеет место, когда расстояние между наружными поверхностями соответствующих штуцеров удовлетворяет условию:

; (5.36)

где — минимальное расстояние между наружными поверхностями двух соседних штуцеров;

L_о — ширина зоны укрепления в окрестности штуцера при отсутствии накладного кольца.

Ширина зоны укрепления определяется по формуле:

; (5.37)

м м; <�м; м) м; м; м;

Одиночных отверстий нет, следовательно, отверстия влияют друг на друга и нуждается в укреплении.

5.3.10 Расчет укрепления отверстий штуцерами

При укреплении отверстия штуцером должно выполнятся условие укрепления:

(5.38)

где коэффициент К₂ = 0,8; и К₃ = 1,0;

и — расчетные длины внешней и внутренней частей штуцера, участвующие в укреплении отверстия;

S_1R — расчетная толщина стенки штуцера;

₁ — отношение допускаемых напряжений;

Расчетные длины внешней и внутренней частей штуцера участвующие в укреплении отверстия определяется по формулам:

; (5.39)

. (5.40)

Расчетная толщина стенки штуцера нагруженная внутренним давлением определяется по формуле:

; (5.41)

где Р = 0,6 МПа — расчетное давление в аппарате;

₁ = 140 МПа — допускаемое напряжение для материала штуцера при расчетной температуре 200⁰С;

— коэффициент прочности сварного шва;

С = 0 — прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии.

Отношение допускаемых напряжений определяется по формуле:

— для штуцера (5.42)

Для всех штуцеров:

Укрепление штуцеров (люком) А (Dy 250)

м;

м;

По чертежу м Принимаем м.

м;

По чертежу м Принимаем м

;

;

0.266>0,384.

Условия укрепления выполнено.

Укрепление штуцера Б (Dу — 50)

м;

м;

По чертежу м Принимаем м

м;

По чертежу м Принимаем м

;

;

0.13 534>0,762

Условия укрепления выполнено.

Укрепление штуцерами В и Ж (Dу — 150)

м м;

По чертежу м.

Принимаем м.

м;

По чертежу м

Принимаем м

;

;

0.158>0.129

Условия укрепления выполнено.

Укрепление штуцерами Г, Е, В (Dу — 100)

м;

м По чертежу м Принимаем м.

м По чертежу м

Принимаем м.

;

;

0.1458>0.148

Условия укрепления выполнено.

Укрепление штуцеров Д (Dу — 200)

м;

м.

По чертежу м Принимаем м.

м.

По чертежу м Принимаем м.

;

;

0.1971>0.2 975

Условие укрепление выполнено.

5.3.11 Проверка достаточности укрепления перемычки между отверстиями

Условия достаточности укрепления перемычки:

; (5.43)

гдедля всех штуцеров;

К =1.0, S = 0.01м, S_R = 0.299м; С = 0;

м.

Проверим достаточность укрепления перемычек (= 0.14м; =1.167м; = 0.227м; = 0.292м; = 0.92м;) между штуцерами.

Перемычка между штуцерами Жи3 (= 0.14м.)

Для штуцера Ж.:

S₁ = 0.006м; S_1R = 0.32м; = 0.0371м; = 0.01м.

Для штуцера 3:

S^II₁ = 0.0045м; S^II_1R = 0.21м; = 0.0264м; =0.01м.

;

0.14 802>-0.2 173

Условия достаточности укрепление выполнено.

Перемычка между штуцерами Б и В (= 0,167 м.)

Для штуцер В:

S¹₁ = 0.006м; S¹_1R = 0.32м; =0.0371м; =0.01м Для штуцера Б:

S^II₁ = 0.003м; S^II_1R = 0.11м; м; м.

0.15 646>-0,2 245

Условия достаточности укрепления выполнено.

Перемычка между штуцерами Д и Г, Е (= 0.227м) Для штуцера Д:

S¹₁ = 0.01м; S¹_1R = 0.42м; L^I_1R = 0.5 576м; L^I_2R = 0.01м.

Для штуцера Г и Е:

S^II₁ = 0.0045м; S^II_1R = 0.32м; =0.0254м;м.

;

0.24 769>-0,2095

Условия достаточности укрепления выполнено.

Перемычка между штуцерами, А и З (= 0.292м).

Для штуцера А:

S¹₁ = 0.012м; S¹_1R = 0.55м;м; м.

Для штуцера З:

S^II₁ = 0.0045м; S^II_1R = 0.21м;м;м.

;

.

0.323>-0.2009

Укрепление достаточности укрепления выполнено.

Перемычка между штуцерами, А и Б (=0.32м)

Для штуцера А:

S¹₁ =0.012м; S¹_1R =0.55м;м; м.

Для штуцера Б:

S^II₁ =0.003м; S^II_1R = 0.11м;м;м.

;

;

0.3382>-0.208

Условия достаточности укрепления выполнено.

Проверку остальных перемычек не производим.

5.3.12 Расчет укрепления отверстий в стене обечайки корпуса

Наибольший допускаемый диаметр одиночного отверстия не требующего дополнительного укрепления определяем по формуле:

(5.44)

где коэффициент К₁ = 0.01м; К₂ = 0.008м.

S_R =0.0038м. расчетная толщина стенки обечайки определяется по формуле (5.1);

S = 0,01 м. — исполнительная толщина стенки обечайки;

С = 0 — прибавка к расчетной толщине для компенсации коррозии,

D_R — расчетный внутренний диаметр укрепляемого элемента.

Для цилиндрических обечаек расчетный диаметр укрепляемых элементов определяется по формуле:

м (5.45)

м.

Если диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию (5.34), то дальнейших расчетов укрепления отверстий не требуется

0.099 0.4633

условие (5.34) выполнено.

В случае близко расположенных к отверстию несущих конструктивных элементов должно выполняться условие укрепления:

; (5.46)

Штуцер считается близко расположенным, если расстояние от его наружной поверхности до соответствующего несущего элемента L L₀, где L ₀ определяется по формуле (5.37):

м.

Так как L₀ (0.046 0.113 0.12 649), штуцер считается близко расположенным к несущим конструктивным элементам, проверим условие укрепления (5.47).

Расчетные длины внешней и внутренней частей штуцера, участвующего в укреплении отверстия определяется по формуле (5.39) и (5.40)

L_1R = 0.0264м; L_2R = 0.01м Расчетная толщина стенки штуцера нагруженного внутренним давлением определяется по формуле (5.41):

S_1R = 0.21м

;

;

0.047>0.1 881

Условие укрепления (5.46) выполнено и диаметр одиночного отверстия удовлетворяет условию (5.34), то дальнейших расчетов укреплению отверстий не требуется.

Из приведенного расчета — следует что дополнительного укрепления отверстия не требуется.

6. КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА технологического оборудования

Производство катализатора дегидрирования КИМ-1 осуществляется на территории цеха № 2410 завода «Окиси этилена» ОАО «Нижнекамскнефтехим» с использованием действующего технологического оборудования для приготовления катализатора КИМ-1.

Таблица 6.1 — Краткая характеристика технологического оборудования