"Производство полиакрилатной дисперсии"

Тепловой баланс процесса

1. 
   Теплоемкости веществ:
   

С_р(БМА) = 0,21 ;
С_р(Цетиловый спирт) = 0,41 ;
С_р(Вода) = 4,2
С_р(MgCO₃) = 0,076
С_р(Перекись бензоила) = 0,16 ;
С_р(Дибутилфталат) = 0,8 ;
С_р(ПБМА) = 1,07 ;

2. 
   Рассчитываем теплоты веществ на входе в реактор при 25 °С и на выходе при 100 °С:
   

Q₁ (БМА) = 0,21 ∙ 10 204 081 ∙ 298 = 638 571,389 МДж;
Q₂ (Цетиловый спирт) = 0,41 ∙ 20 408 ∙ 298 = 2 493, 449 МДж;
Q₃ (Вода) = 4,2 ∙ 30 612 243 ∙ 298 = 38 314 283,339 МДж;
Q₄ (MgCO₃) = 0,076 ∙ 306 122 ∙ 298 = 6 933, 051 МДж
Q₅ (Перекись бензоила) = 0,16 ∙ 20 408 ∙ 298 = 973, 053 МДж
Q₆ (Дибутилфталат) = 0,8 ∙ 510 204 ∙ 298 = 121 632,634 МДж
Q₇ (БМА) _{на выходе} = 0,21 ∙ 204 081∙ 373 = 15 985, 743 МДж
Q₈ (ПБМА) _{на выходе} = 1,07 ∙ 10 000 00 ∙ 373 = 3 991 100 МДж
Q₉ (MgCO₃) _{на выходе} = 0,076 ∙ 306 122 ∙ 373 = 8 677, 947 МДж
Q₁₀ (Дибутилфталат) _{на выходе} = 0,8 ∙ 510 204 ∙ 373 = 152 244,874 МДж
Q₁₁ (Цетиловый спирт) _{на выходе} = 0,41 ∙ 204 082 ∙ 373 = 31 210, 260 МДж
Q₁₂ (Вода) _{на выходе} = 4,2 ∙ 30 612 243 ∙ 373 = 47 957 139, 884 МДж

3. 
   Рассчитываем тепловой эффект реакции через удельные энтальпии образования веществ:
   

ΔН (Воды)_ж = -285,83
ΔН (БМА)_ж = 403,67
ΔН (ПБМА)_ж = 805,44
ΔН (Цетиловый спирт)_ж = -360,31 ;
ΔН (MgCO₃)_ж = -1111,69
ΔН (Дибутилфталат)_ж = -570,02 ;
ΔН (Пероксид бензоила)_ж = 49,04 ;
ΔН_р = 105,5 ∙ 805,44 - 105,5 ∙ 403,67 = 42 386,735 ;
Q₁₃(Реакции) = 58 323,53 кДж;
Находим теплоту, которую необходимую внести в реактор:
Q_вх = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ + Q₆ = 39 084 886,915 МДж;
Q_вых = Q₇ + Q₈ + Q₉ + Q₁₀ + Q₁₁ + Q₁₂ = 52 156 417,031 МДж;
Q(Нагрев) = 52 156 417,031 – 39 084 886,915 = 13 071 530,116 МДж;

4. 
   Сводим результаты теплового баланса в таблицу 8.
   

Таблица 12 – Результаты теплового баланса

Приход		Расход
Вещество	МДж		Вещество	МДж
БМА	638 571,389		ПБМА	3 991 100
Вода	38 314 283,339		Вода	47 957 139, 884
Перекись бензоила	973, 053		БМА	15 985, 743
MgCO3	6 933, 051		MgCO3	8 677, 947
Дибутилфталат	121 632,634		Дибутилфталат	152 244,874
Цетиловый спирт	2 493, 449		Цетиловый спирт	31 210, 260
Qнагрева	13 071 530,116		Теплота реакции	58 323,53
Всего	52 156 417,031		Всего	52 156 417,031

5. 
   Невязка теплового баланса составила:
   

φ = = 0%

3. ВЫБОР, РАСЧЕТ ОСНОВНОГО И ОПИСАНИЕ ВСПОМОГАТЕЛЬНОГО ОБОРУДОВАНИЯ

2. 
   
   

   1. Механический расчет

Расчетные параметры.
Расчетная температура стенок:
Т=max(t_c;20^оС) = (36;18) = 36^оС.

Расчетное давление:

а) внутри аппарата (для днища, обечайки корпуса, крышки) Р_р=Р=0,025Мпа, так как значение гидростатического давления рабочей среды:
Р_г-gρ(2H+1₁+1), Мпа
9,81*1006(2*0,425+0,3+1,5)=26152,479Па=0,026Мпа.
Р_г<5%
Р=0,05*0,5=0,025Мпа.
Н=0,25 D=0,25 1,7=0,425м.

б) в рубашке Р_р.р.=Р_руб.=0,4Мпа, так как максимальное значение гидростатического давления в рубашке при наличии и конденсата водяного пара

Р_г.р.= gρ_в(H+1₂+1), где
ρ_в – плотность воды, ρ_в =1000кг\м³;
Н=0,25 D=0,25 1,7=0,425м.
1₂=0,1м=100мм.
1=1500мм=1,5м.
Р_г.р.=9,81*1000(0,425+0,1+1,5)=19865,25 Па
Р_г.р.=0,019 МПа <5%
Р_руб=0,05*0,4=0,02 МПа

Гидростатическое давление рабочей среды:

Р_г=0,025Мпа;
Гидростатическое давление в рубашке:
Р_г.р.=0,019Мпа.
Допустимое напряжение:
В рабочем состоянии [σ]=ησ*=1 160Мпа, где
σ* - нормативно допускаемое напряжение для теплостойких сталей
(сталь марки 12Х18Н10Т9т.1.3.(стр.11)[1]) при t_c=36^oC

При гидростатических испытаниях [σ]_и=σ_т18/1,1, где

σ_т18=240 Мпа для стали 12Х18Н10Т при t=18^оС (т.II приложение 1[1])
[σ]_и=240/1,1=218,18Мпа

Коэффициент запаса устойчивости:

рабочих условий n_у=2,4, для условий испытаний n_у.и.=1,8.

Расчетное значение модуля упругости для стали марки 12Х18Н10Т:

при t=18^оС соответственно равны Е=2,00* 10⁵Мпа (табл.VIII прил.1
стр.285[1])

Коэффициент прочности сварных швов φ=1 при указанных в исходных

данных способах исполнено.

Прибавка к расчетным толщинам стенок:

а) для компенсации коррозии:
обечайка и днище корпуса
с_к=(П+П_руб)τ=(0,05+0,01)20=1,2мм.,
крышки
с_к.кр.=Пτ=0,05 20=1мм,
рубашки
с_к.р.=П_руб τ=0,01 20=0,2мм.
б) для компенсации эрозии с_э=0, так как эрозия отсутствует.
в) для компенсации минусового допуска и утопания стенки элемента в аппарате соответственно с₂=0 и с₃=0, так как сумма (с₂+с₃) не привышает 5%
толщины листа. Тогда при условии, что с₁=с_к+с_э величина суммарной прибавки к расчетным толщинам:
обечайки и днища корпуса
с=∑с_i=с_k= 1,2мм;
крышки
с_кр=∑с_крi=с_к.кр=1мм;
рубашки
с_р=∑с_pi=c_k.p.=0,2мм.

Расчетная длина цилиндрической обечайки корпуса:

1_Р=1+Н/З=1500+425/3=1641,6мм
1 Толщина стенок
Расчетная толщина цилиндрической обечайки корпуса: а) под воздействием внутреннего давления
S=(P_p D)/(2[σ]<φ-P_p)
S=(0,5 1700)/(2 160-0,5)=2.66мм;
б) при действии наружного давления (приближ.)
К₂•10^-2 = 0,5•1700•10^-2 = 8,5
S_р.н.max= 1,1•0,4•1700
l,l•p_H•p•D2[σ]= ^{______________________} =2,33 = 8,5 мм
2•160

Р_н.р.=Р_Р.Р. =0,4Мпа; К₂=0,5 по номограмме (рис.1.14 стр.37 [1])

при K₁=(n_у Р_н.р.)/(2,4 10^-6 Е)=(2,4 0.4)/2,4 10^-6 2 10⁵=2мм
K₃=1_р/D= 1641,66/1700=0,96мм
1_р=1+Н/3= 1500+425/3=1641,6мм
К₄=10³[σ]/Е=10³ 160/2 10⁵=0,8мм
Исполнительная толщина стенки цилиндрической обечайки корпуса в первом приближении
S>max(S_p; S_p.н.)+C=max(8,5; 2,33)+ 1,2=9,7мм
Осевое сжимающtе усилие - тоесть усилие прижатия днища к обечайке давления в рубашке, определяется таким образом:
F ≈ 0,25π • (D + 2S)² • Рн.р = 0,25 • 3,14(1,7 + 2 • 0.01)² • 0.4 = 0.92МН
Допускаемое наружное давление:
из условия прочности
[P_H]σ = 2•[σ] • (S-C)/(D+S-C)
[P_H]σ = 2•160 • (10 -1,2)/(1700 +10 -1,2) = 1,64МПа
Из условия устойчивости в пределах упругости
При 1_р<1о
1_р=1641,6;
1о=8,15*D√D/(100( S-C))=8,15*1700√1700/( 100( 10-1,20))= 19257мм


[Рн]Е = 0,27МПа
с учетом обоих условий

Допустимое осевое сжимающее усилие.
из условия прочности:
[F]σ = π(D+S-С)•(S-С)•[σ]
[F]σ = 3,14(1,7 + 0,01 - 0,0012)•(0,01 - 0,0012)•160
[F]σ = 7,55МН;
из условия устойчивости в пределах упругости
при Lp/D = 1641,6/1700 = 0,96 < 10


[F]E = 14,38МН
с учетом обоих условий

[F] = 6,68Мн
Условие устойчивости обечайки корпуса выполняется:

Допустимое внутренне давление на обечайку корпуса:

[P] = 1,65МПа
Условие Р_р<[P] выполняется 0,5 > 1,65
Исполнительную толщину ρ_э эллиптического днища корпуса аппарата примем из условия равным толщине свариваемых друг к другом оболочек: Sэ=S=10мм
При этом должны выполняться условия:
Рр.р=[Рн]э и Рр ≤ [Р]э
Допустим наружное давление днища:
из условия прочности
[Pн]σ = 2[σ]*(Sэ – C)/[D+0,5(Sэ – C)]
[Рн]σ = 2*160*(10-1,2)/[1700+0,5(10-1,2)]=1,65МПа
Из условий устойчивости в пределах упругости:

[Рн]E = 1,17МПа
Где при x = 15(Sэ – С)/D = 15(10 – 1,2)/1700 = 0,077

коэффициент

К_э = 1(+(2,4+8х)*х)/(1+(3+10*х)*х;
К_э = (1+(2,4+8*0,077)*0,077)/(1+(3+10*0,077)*0,077)*0,077)=1,23/1,29
К_э = 0,95
с учетом обоих условий:

условная устойчивость днища выполняется:

Допустимое внутреннее давление для эллиптического днища:

[Рр<[P]]э выполнено 0,5<1,65
Исполнительная толщина эллиптической крышки:

Sкр>2,65
Примем Sкр=4мм
Допустимое внутреннее давление дна крышки:

Рр<[Р]кр
0,5<0,56 выполнено
Исполнительная толщина цилиндрической обечайки рубашки:

Эллиптическое днище рубашки:

Принимаем толщину стальной рубашки Sp=5мм
Допускаемое внутреннее давление на обечайку рубашки:

2 Допускаемое давление внутри аппарата в рабочих условиях:

[P]э=min{[P];[P]э;[P]кр}=min{1,65;1,65;0,56}=0,56МПа
Укрепление отверстий штуцеров целесообразно делать талес, чтобы допускаемое внутреннее давление для зоны укрепления [P]ш было не менее величины [P]э
3 Допустимое значение в рубашке при работе аппарата:
[P]p=min{[P₄]F;[Pн]э;[P]р.ц;[P]р.э}=min(0,95;0,49;0,49)
где [Рн]F допускаемое наружное давление на цилиндрическую обечайку корпуса, определяемое Щ условие [Pн]F/[Pн]+F/[F]=1
в данном случае [Рн]F = Pp ∙ p = 0,4МПа
4 Допускаемое давление внутри аппарата при проведении гидравлических испытаний
[P]ан находим, беря во внимание, что значение рабочего допустимого внутреннего давления min крышки:



[P]а.и.=0,77МПа
5 Допустимое давление в рубашке при гидравлических испытаниях:
[P]р.и./[Pн]и+Fи/[F]и=1,где
[Pн] и допускаемое наружное давление на обечайку во время испытаний
F_и и [F]_н соответственно, расчетное и допускаемое осевые сжимающие усилии при испытаниях т.к.
Fн ≈ 0,25π (D+2S)² ∙ [P]р.и
получим из приведенного условия следующие выражения:

Допускаемое наружное давление при гидравлических испытаниях:
из условия прочности
[Pн]σu=2[δ]u(S - C)/(D+S+C) = 2∙218,18(10-1,2)/(1700+10-1,2)

из условия устойчивости в пределах упругости

с учетом двойных условий

Допускаемое осевое сжимающее усилие при гидравлических испытаниях:
из условия прочности
[F]σu=π(D+S – C)(S – C)∙[σ]_u,MH
[F] σu=3,14(1,7+0,01-0,0012)*(0,01-0,0012)*218,18=10,3МН
из условия устойчивости в пределах упругости


[F]Eu = 18,6 МН

с учетом двойных условий

где

6 (S – C)/D = (10 – 1,2)/1700 = 0,005<0,1;

(Sэ – С)/D = (10 – 1,2)/1700 = 0,005<0,1;
(Sкк – Скр)/D = (4 – 1)/1700 = 0,0017<0,1;
(Sp – Cр)/Dppy = (3 – 0,2)/1800 = 0,00155/0,1;

2.