CC BY
33
УДК 66.023.2
Н. А. Каюмов, А. А. Назаров, С. И. Поникаров
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ВАКУУМНОГО ДЕГИДРИРОВАНИЯ БУТАНА
Ключевые слова: вакуум, дегидрирование, бутан, греющая камера, реакционная камера, вакуум насос.
Экспериментальная установка вакуумного дегидрирования бутана представляет собой слаженную систему взаимосвязанных между собой устройств для проведения технологического процесса дегидрирования под вакуумом. Данная установка состоит из следующих основных узлов: греющая камера, реакционная камера, теплообменника, конденсатосборника, вакуум насоса и пробоотборной линии. К основным режимам работы установки можно отнести рабочее давление вакуума 0,1-0,2 атм. и рабочая температура 600-700 °С.
Keywords: vacuum dehydration, Bhutan, the heating chamber, reaction chamber, the vacuum pump.
The experimental set-vacuum dehydrogenation of Bhutan is a coherent system of interconnected devices for the technological process dehydrogenation under vacuum. This installation consists of the following main parts: a heating chamber, reaction chamber, heat exchanger, condensate, vacuum pump and sampling line. The main operating modes can be attributed to the working vacuum pressure of 0.1-0.2 ATM. and operating temperatures of600-700^.
Экспериментальная установка вакуумного дегидрирования бутана находится на кафедре машины и аппараты химических производств казанского национального исследовательского технологического университета.
Экспериментальная установка вакуумного дегидрирования бутана (показана на рисунке 1) состоит из следующих основных узлов: греющая камера, реакционная камера, теплообменника, конденсатосборника, вакуум насоса.
Рис. 1 - Экспериментальная установка вакуумного дегидрирования бутана: 1 -реакционная камера; 2 - греющая камера; 3 -теплообменник; 4,5,6 - конденсатосборник; 5 -вакуум насос
Описание греющей камеры
Греющая камера представляет собой систему труб и фитингов последовательно сваренных между собой. В качестве материала для основных деталей выбрана нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т ГОСТ 5632-72, которая является стойкой до температуры 700°С.
На входе в камеру приварена бобышка для
установки датчика давления. Входная труба, диаметром 25 мм с толщиной стенок 3 мм, с помощью концентрического перехода сваривается с трубой, которая служит поверхностью для нагрева. Данная поверхность представляет собой три параллельные трубы длиной 2 метра, с диаметром 57 мм и толщиной стенки 3мм, сваренных на концах двумя отводами, обеспечивающими поворот трубы на 180°. На конце поверхности нагрева также приварен поворот на 180° и концентрический переход, увеличивающий наружный диаметр трубы до 89 мм. На конце данной трубы имеется фланец, типа выступ - впадина, для присоединения реакционной камеры. На конце греющей камерБ, перед третьим поворотом, приварена бобышка для установки датчика давления, термопары. Нагрев осуществляется с помощью нихромовой проволоки, толщиной 1,5 мм, спирально обмотанной вокруг нагревательной трубы, защищенной от прямого контакта с металлом керамическими бусами. Нихром может работать при температурах 1100-1300°С, имеет высокое электрическое сопротивление, высокое сопротивление коррозии, жаропрочность, малый температурный
коэффициент электросопротивления. Керамические бусы выполнены из окиси алюминия, кордуновой керамики, стойкой при высоких температурах и имеют коэффициент теплопроводности при 600 °С равный 15 Вт/мК. Обмотка разделена на три участка по 2 метра, участки соединены параллельно, для большего теплового эффекта. Площадь поверхности теплообмена составляет 1,04 м2. Газ в нагревательных трубах движется со скоростью 1,26 м/с. Данной площади достаточно для нагрева бутана до 600°С, при давлении 0,1 атм.
Описание реакционной камеры
Реакционная камера представляет собой вертикальный трубный реактор, выполненный из стали марки 12Х18Н10Т, наружным диаметром 89 мм, с толщиной стенок 4 мм и высотой 1,7 метра, с обоих концов приварены фланцы, типа выступ -впадина, для присоединения к греющей камере на входе в реакционную камеру, и теплообменник на
выходе из него. Внутри трубы помещен слой катализатора на перфорированной тарелке и имеет насыпную высоту 1,2-1,4 метра. В установке используется алюмохромовый катализатор, который обеспечивает устойчивое протекание процесса. Степень нагрева реакционной камеры контролируют с помощью трех термопар, которые устанавливаются в варенные по высоте реакционной камеры бобышки. По высоте реакционной камеры также вварены три пробоотборника, которые представляют собой трубки диаметром 10 мм с толщиной стенок 2 мм, выполненных из стали 12Х18Н10Т. Один конец погружен в реакционную камеру и имеет множество мелких отверстий для взятия пробы, другой отведен от реакционной камеры на толщину слоя изоляции и имеет на конце резьбовое соединение для присоединения к пробоотборной линии вакуум насоса.
Описание теплообменника
В установке используется одноходовой теплообменник типа «труба в трубе» с наружной трубой 57х3 мм, и внутренней трубой 25х3 мм, выполненной из стали 12Х18Н10Т. Один конец имеет фланец, типа выступ впадина, для присоединения к реакционной камере, другой конец сальниковое уплотнение, для компенсации температурных напряжений из-за высокой разности температур горячего и холодного теплоносителей. Рабочее давление трубного пространства 0,1 атм., рабочее давление межтрубного пространства 4 атм. Площадь теплообмена составляет 0,0785 м2.
Описание конденсатосборника
В данной установке имеется несколько конденсатосборников.
Конденсатосборник представляет собой вертикальную цилиндрическую емкость, выполненную из стали 12Х18Н10Т, с нижнего конца приварено плоское днище. С верхнего конца приварен плоскоприварной фланец с соединительным выступом, ответным фланцем является круг толщиной 30 мм из оргстекла. Ввод и вывод контактного газа происходит через патрубки, вваренные на разных уровнях в конденсатосборник. На входном патрубке нарезана резьба М25, для присоединения через муфту к теплообменнику, а выходной патрубок представляет собой бобышку, для присоединения специальных фитингов фирмы "Сато^Г'. Слив осуществляется через нижний патрубок на конце которого нарезана резьба для присоединения шарового крана. В корпус конденсатосборника вварена бобышка для присоединения показывающего вакуумметра, для контроля разряжения на входе в вакуумный насос. Полный объем конденсатасборника равен 1,8 литров. Максимальный объем конденсата 0,8 литра.
Конденсатосборник после вакуум насоса имеет некоторые конструктивные отличия от конденсатосборника идущего после
теплообменника. Входной патрубок и выходной патрубки представляют собой бобышки для
присоединения специальных фитингов фирмы "Сато2а".
Описание вакуум насоса
В экспериментальной установке используется безмасляный мембранный вакуум насос ООО «АЛВАК» серии МВНК.
Регулирование производительности насоса осуществляется установкой непосредственно перед входом в насос многооборотного вентиля фирмы "Сато77Г, а также установкой натекателя на входе в систему, где создается разряжение.
Производительность при атмосферном давлении на выходе, при работе ступеней:
• Последовательной - 5/83 мэ"УЧ/ л/ч
• Параллельной - 11/200 м5 /ч/ л/ч
Остаточное давление при работе ступеней:
• Последовательной - 0,25/1,9 кПа/мм рт.ст.
• Параллельной - 11/200 кПа/мм рт.ст.
Описание пробоотборной линии
Отбор проб происходит на четырех различный участках основной вакуумной линии, где происходит реакция дегидрирования. Осуществляется за счет создания, в пробоотборной вакуумной линии, безмасляным мембранным вакуум насосом МВНК 2х4 более низкого разряжения. В пробоотборную линию, помимо насоса, входят рилсановые трубки, различные фитинги фирмы "Сато77Г' и конденсатосборник с показывающим вакуумметром ДМ-02-100 для контроля разряжения пробоотборной линии. Фитинги позволяют легко и быстро монтировать и демонтировать пробоотборную линию, выделять отдельные потоки исследуемого газа, перекрывая остальные.
Характеристики насоса серии МВНК 2х4:
Производительность при атмосферном давлении на выходе, при работе ступеней:
• Последовательной - 2,5/42 и1/1»/ л/ч
• Параллельной - 10/167 и 3 /ч./ л/ч Остаточное давление при работе ступеней:
• Последовательной - 0,65/5 кПа/мм рт.ст.
• Параллельной - 4,65/35 кПа/мм рт. ст.
Описание изоляции
Поскольку дегидрирование проходит при высоких температурах 600°С, а нагревательная нихромовая проволока нагрета еще на более высокую температуру в 700°С, то необходимо изолировать нагревательные поверхности. В качестве изоляции самым эффективными являются теплоизоляционные цилиндры на основе базальтовых пород.
Выбираем в качестве изоляции маты прошивные и вязально-прошивные марки WATTAT М1-75 из базальтового волокна по ГОСТ 21880-94.
Изоляция представляет собой маты из базальтовой ваты на сырьевой основе вулканических горных пород, получаемой осаждением базальтовых нитей при раздуве расплава, прошитые в продольном направлении
либо вязальным швом (типа "стеганое одеяло"). Маты прошивные и вязально-прошивные марок WATTAT не содержат никаких вредных веществ, что подтверждено санитарно-эпидемиологическим заключением № 16.11.02.576.П.000024.01.05.
Данный вид изоляции применяется при температуре поверхности от - 180 до + 900 °С.
В экспериментальной установке используются маты толщиной 40 мм, для кольцевой изоляции труб нагревательной и реакционной камер. Реакционную и нагревательную камеры помещают в прямоугольный саркофаг, выполненный из оцинкованных листов металла. Саркофаг со всех сторон больше на 50 мм чем наружная граница изоляции из базальтовых матов. Это пространство, и свободное пространство между базальтовыми матами, также заполняется
изоляцией, в виде базальтовых матов марки WATTAT М1-75.
Данная теплоизоляция обеспечивает минимальные потери тепла в окружающую среду, при этом надолго сохраняет свои теплоизоляционные качества и является экологически чистой.
Литература
1. Журавлева К.А. Получение стирола дегидрированием этилбензола / К.А. Журавлева, А.А. Назаров // Вестник Казанского Технологического Университета. - 2012. -Т. 15 № 11. - С. 149-152.
2. Назаров А.А. Вакуумное дегидрирование / А.А. Назаров // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2012. - № 2. - С. 25.
© Н. А. Каюмов - магистрант каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; А. А. Назаров - к.т.н., доц. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ, [email protected]; С. И. Поникаров -д.т.н., профессор, зав. каф. машин и аппаратов химических производств КНИТУ.
